Fuzja trzech supermasywnych czarnych dziur

Trzy olbrzymy w ograniczonej przestrzeni

W chaotycznym sercu pobliskiej galaktyki NGC 6240 astronomowie rozróżnili nie dwie, lecz trzy supermasywne czarne dziury stłoczone w objętości o średnicy mniejszej niż kiloparsek – to konfiguracja, która zapowiada zmianę w sposobie, w jaki badacze postrzegają powstawanie i łączenie się największych czarnych dziur. Spektroskopia o wysokiej rozdzielczości przestrzennej wykonana za pomocą instrumentu MUSE na należącym do Europejskiego Obserwatorium Południowego Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) ujawniła, że jądro południowe, długo uważane za pojedynczy obiekt, to w rzeczywistości dwa odrębne jądra oddzielone od siebie o około 198 parseków; wszystkie trzy kolosy mają masy rzędu co najmniej 9×10⁷ mas Słońca i znajdują się w regionie o szerokości mniejszej niż około 3000 lat świetlnych.

Symulacje i pomiary ram czasowych

Dalsze modelowanie dynamiczne, wykorzystujące symulacje N-ciałowe dostrojone do obserwowanych parametrów jądra NGC 6240, pozwala na określenie przybliżonych ram czasowych ewolucji tego potrójnego układu. W modelach tych dwa blisko położone obiekty południowe (oznaczone w literaturze jako S1 i S2) mogą utworzyć związany układ podwójny w ciągu kilku milionów lat, a większy system potrójny może przyjąć konfigurację hierarchiczną w dłuższej skali czasowej rzędu dziesiątek milionów lat. Badania te pokazują również, że efekty trzech ciał, takie jak oscylacje Kozai-Lidowa i chaotyczne zbliżenia, mogą zwiększać mimośrody orbit i zmniejszać separacje, przyspieszając ostateczne zacieśnianie orbity (inspiral) napędzane falami grawitacyjnymi. Innymi słowy, układy potrójne mogą działać jako akceleratory fuzji obiektów o dużej masie.

Kontekst: potrójne czarne dziury są rzadkie, ale nie bezprecedensowe

NGC 6240 nie jest pierwszym opisanym potrójnym jądrem, ale należy do najwyraźniejszych i najbliższych przykładów, w których wysokiej jakości widma pozwalają na rozróżnienie komponentów. Wcześniejsze wielozakresowe kampanie obserwacyjne doprowadziły do odkrycia innych kandydatów na układy potrójne – na przykład SDSS J0849+1114 został zidentyfikowany dzięki obserwacjom w podczerwieni, promieniowaniu rentgenowskim i świetle widzialnym jako system goszczący trzy masywne czarne dziury wykazujące aktywną akrecję – a niedawne obrazowanie radiowe ujawniło rzadkie potrójne radiowe aktywne jądro galaktyki w innej grupie łączących się galaktyk oznaczonej jako J1218/1219+1035. Odkrycia te, dokonane w różnych pasmach fal i na różnych odległościach, wskazują na niewielką, ale rosnącą próbkę systemów, w których wiele masywnych czarnych dziur współistnieje i ostatecznie wejdzie ze sobą w interakcje.

Sygnały dla astronomii fal grawitacyjnych

Zderzenia czarnych dziur wytwarzają fale grawitacyjne, ale ich częstotliwości zależą silnie od masy. Połączenia supermasywnych czarnych dziur emitują promieniowanie o częstotliwościach milihercowych lub niższych – poniżej pasma detektorów naziemnych, takich jak LIGO i Virgo – i są celami dla przyszłych obserwatoriów, takich jak kosmiczna misja LISA, oraz dla układów pomiaru czasu pulsarów (pulsar timing arrays), które są czułe na fale nanohercowe. Ponieważ oddziaływania potrójne mogą przyspieszać koalescencję i wytwarzać wysokie mimośrody, zmieniają one oczekiwany czas wystąpienia, amplitudę i zawartość widmową sygnałów fal grawitacyjnych. W praktyce pobliski układ potrójny, taki jak NGC 6240, nie połączy się w ludzkiej skali czasowej, ale badania jego dynamiki pomagają doprecyzować częstotliwość zdarzeń i formy fal dla detektorów nowej generacji.

Wyzwania obserwacyjne i zastrzeżenia

Interpretacja zatłoczonych jąder galaktycznych jest trudna. Efekty projekcji, przysłaniający pył, aktywność gwiazdotwórcza (starburst) i gęsto splotłe przepływy gazu mogą naśladować lub maskować sygnatury kinematyczne wielu czarnych dziur. Pewność w przypadku NGC 6240 wynika z połączenia instrumentów obserwujących różne procesy fizyczne – ruchy gwiazd w świetle widzialnym, gorący gaz i akrecję w promieniowaniu rentgenowskim oraz zwarte jądra radiowe – a także z poprawionej rozdzielczości przestrzennej, którą oferuje optyka adaptatywna wąskiego pola instrumentu MUSE. Mimo to, precyzyjne pomiary mas i parametrów orbitalnych wymagają dalszego monitorowania i komplementarnych obserwacji (na przykład radiointerferometrii wielkobazowej i głębokiego obrazowania rentgenowskiego). Obecne szacunki mas zależą od modeli i powinny zostać doprecyzowane wraz z napływem nowych danych.

Dlaczego to odkrycie ma teraz znaczenie

Znalezienie trzech masywnych czarnych dziur tak blisko siebie w stosunkowo bliskiej galaktyce daje astronomom konkretny przykład do testowania teorii, które wcześniej opierały się głównie na symulacjach. Potwierdza to obraz, w którym ultramasywne czarne dziury – giganty osiągające masy miliardów słońc – mogą powstawać nie tylko poprzez akrecję lub powtarzające się łączenie par w długim czasie, ale także w wyniku bardziej gwałtownych interakcji wielu galaktyk, gdzie kilka jąder zapada się w jeden centralny silnik. Ma to wpływ na morfologię galaktyk, historię formowania się gwiazd oraz wzrost aktywności jąder w czasie kosmicznym.

Dalsze kroki dla teleskopów i teorii

Dalsze prace będą miały na celu dokładniejsze określenie orbit i mas, poszukiwanie sygnatur akrecji napędzanej interakcjami oraz rozszerzenie poszukiwań innych układów potrójnych. Radiointerferometria o wyższej rozdzielczości może pozwolić na zbadanie zwartych jąder AGN i dżetów, podczas gdy dłuższe ekspozycje rentgenowskie mogą ujawnić akrecję, której nie widać w świetle widzialnym. Od strony teoretycznej, włączenie realistycznego tła gwiazdowego i gazowego do ogólnorelastywistycznych symulacji trzech ciał poprawi przewidywania dotyczące tego, jak szybko takie systemy ulegają koalescencji oraz jakie sygnatury elektromagnetyczne i grawitacyjne wytwarzają. Wspólnie wysiłki te zmienią rzadkie migawki, takie jak NGC 6240, w statystycznie użyteczne ograniczenia dla demografii czarnych dziur i fizyki ich łączenia się.

Na co będą zwracać uwagę astronomowie

• Doprecyzowanie pomiarów masy i pozycji przy użyciu radia VLBI oraz dalszej spektroskopii optycznej/IR z wykorzystaniem optyki adaptatywnej.
• Wzajemne dopasowanie (cross-matching) podobnych sygnatur morfologicznych i spektralnych w dużych przeglądach nieba w celu zbudowania większej próbki układów potrójnych.

Potrójne serce NGC 6240 to wyraziste przypomnienie, że centra galaktyk są miejscami dynamicznymi, w których grawitacja, gaz i czas współpracują przy tworzeniu najbardziej ekstremalnych obiektów we wszechświecie. W miarę doskonalenia teleskopów i symulacji, systemy takie jak ten przestaną być osobliwościami, a staną się kamieniami węgielnymi naszego zrozumienia tego, jak największe czarne dziury uzyskują swoją masę i jak ich fuzje rozświetlają niebo fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości.

Źródła

• Astronomy & Astrophysics (Kollatschny et al., „NGC 6240: A triple nucleus system in the advanced or final state of merging”).
• Astronomy & Astrophysics (publikacja dotycząca modelowania dynamicznego ewolucji potrójnej SMBH w NGC 6240).
• Materiały prasowe i podsumowania badań Instytutu Astrofizyki im. Leibniza w Poczdamie (AIP).
• NASA Jet Propulsion Laboratory / Chandra / literatura dotycząca wielozakresowych obserwacji potrójnych aktywnych jąder (SDSS J0849+1114).
• Astrophysical Journal Letters (odkrycie radiowe potrójnego radiowego AGN w J1218/1219+1035).