Tre supermassiva svarta hål smälter samman

Tre jättar i ett trångt utrymme

I det kaotiska hjärtat av den närliggande galaxen NGC 6240 har astronomer identifierat inte två utan tre supermassiva svarta hål trängda inom en volym på mindre än en kiloparsec i diameter – en konfiguration som lovar att förändra hur forskare ser på hur de allra största svarta hålen formas och smälter samman. Högupplöst spektroskopi med MUSE-instrumentet på Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope har avslöjat att den södra kärnan, som länge ansetts vara ett enda objekt, i själva verket är två distinkta kärnor separerade av ungefär 198 parsec; de tre tungviktarna väger alla minst i storleksordningen 9×107 solmassor och befinner sig inom en region som är mindre än cirka 3 000 ljusår bred.

Simuleringar och uppmätta tidsskalor

Uppföljande dynamisk modellering, med hjälp av N-kroppssimuleringar anpassade efter de observerade parametrarna för kärnan i NGC 6240, ger grova tidslinjer för hur trippelsystemet kommer att utvecklas. I dessa modeller kan de två tätt sammanhållna södra objekten (betecknade S1 och S2 i litteraturen) bilda ett bundet binärsystem inom några miljoner år, och det större trippelsystemet kan stabiliseras i en hierarkisk konfiguration på en längre tidsskala i storleksordningen tiotals miljoner år. Dessa studier visar också att trekroppseffekter såsom Kozai–Lidov-oscillationer och kaotiska möten kan driva upp banexcentriciteter och minska avstånd, vilket påskyndar den slutliga gravitationsvågsdrivna inspiralen. Med andra ord kan trippelsystem fungera som acceleratorer för sammansmältningar av tungviktare.

Kontext: trippla svarta hål är sällsynta men inte utan motstycke

NGC 6240 är inte den första rapporterade trippelkärnan, men den är bland de tydligaste och närmaste exemplen där spektra av hög kvalitet separerar komponenterna. Tidigare multivåglängdskampanjer har upptäckt andra kandidater för trippelsystem – till exempel identifierades SDSS J0849+1114 genom infraröda, röntgen- och optiska uppföljningar som ett system med tre aktivt ackreterande massiva svarta hål – och färsk radiostrålningsavbildning har avslöjat en sällsynt trippel av radiostrålande aktiva galaxkärnor i en annan sammansmältande grupp betecknad J1218/1219+1035. Dessa upptäckter, över olika våglängdsband och avstånd, pekar på ett litet men växande urval av system där flera massiva svarta hål samexisterar och så småningom kommer att interagera.

Signaler för gravitationsvågsastronomi

Sammansmältningar av svarta hål producerar gravitationsvågor, men frekvenserna beror starkt på massan. Sammansmältningar av supermassiva svarta hål strålar vid millihertz-frekvenser eller lägre – under bandet för markbaserade detektorer som LIGO och Virgo – och är mål för framtida observatorier som det rymdbaserade LISA-uppdraget och för pulsar timing-matriser som är känsliga för nanohertz-vågor. Eftersom trippelinteraktioner kan påskynda sammansmältningen och producera höga excentriciteter, förändrar de den förväntade timingen, amplituden och det spektrala innehållet i gravitationsvågssignalerna. I praktiken kommer ett närliggande trippelsystem som NGC 6240 inte att smälta samman under mänskliga tidsskalor, men studier av dess dynamik hjälper till att förfina händelserater och vågformer för nästa generations detektorer.

Observationella utmaningar och förbehåll

Att tolka trånga galaxkärnor är svårt. Projektionseffekter, skymmande stoft, starburst-aktivitet och tätt sammanflätade gasflöden kan efterlikna eller dölja kinematiska signaturer av flera svarta hål. Säkerheten i NGC 6240 kommer från kombinationen av instrument som ser olika fysiska processer – stjärnrörelser i det optiska bandet, het gas och ackretion i röntgenstrålning samt kompakta radiokärnor – och från den förbättrade rumsliga upplösningen som MUSE-instrumentets adaptiva optik i smalt fält erbjuder. Trots detta kräver mätning av exakta massor och banparametrar fortsatt övervakning och kompletterande observationer (till exempel långbasinterferometri via radio och djup röntgenavbildning). De nuvarande massuppskattningarna är modellberoende och bör förfinas i takt med att mer data inkommer.

Varför upptäckten är viktig nu

Att hitta tre massiva svarta hål så nära varandra i en relativt närliggande galax ger astronomer ett konkret exempel för att testa teorier som tidigare främst vilat på simuleringar. Det stöder en bild där ultramassiva svarta hål – jättarna som väger miljarder solmassor – kan byggas inte bara genom ackretion eller upprepade parvisa sammansmältningar över lång tid, utan också genom mer dramatiska interaktioner mellan flera galaxer där flera kärnor kollapsar till en centralmotor. Det har implikationer för galaxmorfologi, stjärnbildningshistorier och tillväxten av kärnaktivitet över kosmisk tid.

Nästa steg för teleskop och teori

Uppföljande arbete kommer att syfta till att fastställa banor och massor mer exakt, söka efter signaturer av interaktionsdriven ackretion och utöka sökandet efter andra trippelsystem. Radiointerferometri med högre upplösning kan testa för kompakta AGN-kärnor och jetstrålar, medan djupare röntgenexponeringar kan avslöja ackretion som optiskt ljus missar. På den teoretiska sidan kommer integrering av realistiska stjärn- och gasbakgrunder i allmänrelativistiska trekroppssimuleringar att förbättra förutsägelserna om hur snabbt sådana system smälter samman och vilka elektromagnetiska och gravitationsvågssignaturer de producerar. Tillsammans kommer dessa ansträngningar att förvandla sällsynta ögonblicksbilder som NGC 6240 till statistiskt användbara begränsningar för demografin hos svarta hål och fysiken bakom deras sammansmältningar.

Vad astronomerna kommer att hålla utkik efter

• Förfinade mass- och positionsmätningar med hjälp av VLBI-radio och ytterligare optisk/IR-spektroskopi med adaptiv optik.
• Matchning av liknande morfologiska och spektrala signaturer i stora kartläggningar för att bygga ett större urval av trippelsystem.

NGC 6240:s trippelhjärta är en levande påminnelse om att galaxers centra är dynamiska platser där gravitation, gas och tid samarbetar för att bygga universums mest extrema objekt. Allteftersom teleskop och simuleringar förbättras kommer system som detta att gå från att vara kuriositeter till att bli hörnstenar i vår förståelse av hur de största svarta hålen når sina massor och hur deras sammansmältningar lyser upp den lågfrekventa gravitationsvågshimlen.

Källor

• Astronomy & Astrophysics (Kollatschny et al., "NGC 6240: A triple nucleus system in the advanced or final state of merging").
• Astronomy & Astrophysics (dynamisk modelleringsartikel om utvecklingen av trippla SMBH i NGC 6240).
• Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) pressmaterial och institutionella forskningssammanfattningar.
• NASA Jet Propulsion Laboratory / Chandra / multivåglängdslitteratur om trippla aktiva kärnor (SDSS J0849+1114).
• Astrophysical Journal Letters (radioupptäckt av en trippel av radiostrålande AGN i J1218/1219+1035).