Chandra und WISE beobachten Paare aus supermassiven Schwarzen Löchern

Künstlerische Darstellung eines Paares aus zwei supermassiven Schwarzen Löchern. (Credits: NASA / CXC / A.Hobart)
Künstlerische Darstellung eines Paares aus zwei supermassiven Schwarzen Löchern. (Credits: NASA / CXC / A.Hobart)

Astronomen haben neue Paare aus supermassiven Schwarzen Löchern in den Zentren verschiedener Galaxien identifiziert. Diese Entdeckung könnte Astronomen helfen besser zu verstehen, wie Schwarze Löcher wachsen und wie sie die stärksten Gravitationswellensignale im Universum produzieren.

Die neuen Hinweise offenbaren fünf Paare supermassiver Schwarzer Löcher, wobei jedes mehrere Millionen Sonnenmassen aufweist. Diese Paare aus Schwarzen Löchern entstanden, als zwei Galaxien kollidierten und miteinander verschmolzen, was ihre jeweiligen supermassiven Schwarzen Löcher nahe zusammen brachte.

Die Paare wurden entdeckt, indem Daten verschiedener Observatorien kombiniert wurden, darunter Daten des Chandra X-ray Observatory der NASA, des Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) und des bodenbasierten Large Binocular Telescope in Arizona.

"Astronomen finden einzelne supermassive Schwarze Löcher überall im Universum, sagte Shobita Satyapal von der George Mason University in Fairfax (Virginia), die eine der beiden Abhandlungen leitete, welche diese Ergebnisse beschreiben. "Aber obwohl wir vorausgesagt haben, dass sie schnell wachsen, wenn sie miteinander interagieren, waren wachsende Paare aus zwei supermassiven Schwarzen Löchern schwer zu finden."

Vor dieser Studie waren weniger als zehn bestätigte Paare aus wachsenden Schwarzen Löchern anhand von Röntgenstudien bekannt, hauptsächlich basierend auf zufälligen Entdeckungen. Um eine systematische Suche durchzuführen, musste das Team sorgfältig Daten von Teleskopen sichten, die unterschiedliche Wellenlängen registrieren.

Beginnend mit dem Galaxy Zoo Project nutzten die Forscher optische Daten des Sloan Digital Sky Survey (SDSS), um Galaxien zu identifizieren, bei denen eine Verschmelzung zwischen zwei kleineren Galaxien stattzufinden schien. Aus diesem Datensatz wählten sie Objekte aus, bei denen der Abstand der beiden galaktischen Zentren in den SDSS-Daten weniger als 30.000 Lichtjahre betrug, und bei denen die infraroten Farben der WISE-Daten mit jenen übereinstimmten, die für ein schnell wachsendes Schwarzes Loch vorhergesagt werden.

Sieben verschmelzende Systeme mit mindestens einem supermassiven Schwarzen Loch wurden mit dieser Methode gefunden. Weil starke Röntgenemissionen ein Kennzeichen wachsender supermassiver Schwarzer Löcher sind, beobachteten Satyapal und ihre Kollegen diese Systeme anschließend mit Chandra. In fünf Systemen fanden sie jeweils zwei Röntgenquellen mit geringem Abstand, was dafür spricht, dass sie zwei wachsende (Materie aufnehmende) supermassive Schwarze Löcher enthalten. Sowohl die Röntgendaten Chandras als auch die Infrarotbeobachtungen lassen darauf schließen, dass die supermassiven Schwarzen Löcher inmitten großer Mengen Staub und Gas verborgen liegen.

"Unsere Arbeit zeigt, dass die Auswahl im Infrarotbereich kombiniert mit nachfolgenden Röntgenbeobachtungen einen sehr effektiven Weg darstellt, um diese Paare aus Schwarzen Löchern zu finden", sagte Sara Ellison von der University of Victoria in Kanada, die die andere Abhandlung leitete, welche diese Ergebnisse beschreibt. "Röntgen- und Infrarotstrahlung sind in der Lage, die Wolken aus Gas und Staub in der Umgebung dieser Paare zu durchdringen, und Chandras scharfer Blick wird benötigt, um sie zu trennen."

Die von Ellison geleitete Studie nutzte zusätzliche optische Daten des Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) Survey, um eines der neuen Paare zu lokalisieren. Eine Komponente dieses Paares ist besonders stark und besitzt die höchste Röntgenhelligkeit, die von Chandra bei einem Paar aus Schwarzen Löchern bisher beobachtet wurde.

Diese Grafik zeigt zwei der fünf neuen Paare aus supermassiven Schwarzen Löchern, die kürzlich von Astronomen identifiziert wurden. (Credits: X-ray (J122104): NASA / CXC / George Mason Univ. / S.Satyapal et al.; X-ray (J140737): NASA / CXC / Univ. of Victoria / S.Ellison et al.; Optical: SDSS; Illustration: NASA / CXC / A.Hobart)
Diese Grafik zeigt zwei der fünf neuen Paare aus supermassiven Schwarzen Löchern, die kürzlich von Astronomen identifiziert wurden. (Credits: X-ray (J122104): NASA / CXC / George Mason Univ. / S.Satyapal et al.; X-ray (J140737): NASA / CXC / Univ. of Victoria / S.Ellison et al.; Optical: SDSS; Illustration: NASA / CXC / A.Hobart)

Diese Arbeit hat Auswirkungen auf das aufkeimende Gebiet der Gravitationswellen-Astrophysik. Wenngleich Wissenschaftler mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) und dem VIRGO-Interferometer die Signale verschmelzender Schwarzer Löcher registriert haben, waren diese Schwarze Löcher kleiner und hatten nur Massen zwischen acht und 36 Sonnenmassen.

Die verschmelzenden Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien sind viel größer. Wenn diese supermassiven Schwarzen Löcher sich einander annähern, sollten sie mit der Erzeugung von Gravitationswellen beginnen. Die endgültige Verschmelzung der beiden Schwarzen Löcher in hunderten Millionen Jahren würde in einem noch größeren Schwarzen Loch resultieren. Dieser Prozess würde eine gewaltige Menge Energie freisetzen, wenn ein Teil der Masse in Gravitationswellenenergie umgewandelt wird.

"Es ist wichtig zu verstehen, wie häufig Paare aus supermassiven Schwarzen Löchern vorkommen, um dabei zu helfen, die Signale der Gravitationswellen-Observatorien vorherzusagen", sagte Satyapal. "Mit aktuellen und zukünftigen Experimenten ist dies eine aufregende Zeit, um verschmelzende Schwarze Löcher zu erforschen. Wir sind in den frühen Stadien einer neuen Ära der Erforschung des Universums."

LIGO und VIRGO können keine Gravitationswellen von Paaren aus supermassiven Schwarzen Löchern registrieren. Stattdessen führen Pulsar-Timing-Arrays wie das North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) derzeit diese Suche durch. In Zukunft könnte das Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Projekt auch nach diesen Gravitationswellen suchen.

Vier der Kandidatenpaare werden in einer Abhandlung von Satyapal et al. behandelt, die kürzlich zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal freigegeben wurde. Das andere Kandidatenpaar wird in einer Abhandlung von Ellison et al. beschrieben, die in der Ausgabe der Monthly Notices of the Royal Astronomical Society vom September 2017 veröffentlicht wurde.

Das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama) leitet das Chandra-Programm für das Science Mission Directorate der Agentur in Washington. Das Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge (Massachusetts) steuert Chandras Wissenschafts- und Flugoperationen.

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena (Kalifornien) leitet und betreibt WISE für das Science Mission Directorate in Washington. Das Space Dynamics Laboratory in Logan (Utah) konstruierte das wissenschaftliche Instrument. Die Ball Aerospace & Technologies Corp. in Boulder (Colorado) baute das Weltraumteleskop. Die wissenschaftlichen Operationen und die Datenverarbeitung finden am Caltech/IPAC statt. Das Caltech betreibt das JPL für die NASA.

Quelle

(THK)

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