Elk sterrenstelsel heeft een superzwaar zwart gat in het centrum, net zoals elk ei een dooier heeft. Maar soms leggen kippen eieren met twee dooiers. Op een vergelijkbare manier astrofysici zoals wij die superzware zwarte gaten bestuderen verwacht binaire systemen te vinden – twee superzware zwarte gaten die om elkaar heen draaien – in de harten van sommige sterrenstelsels.
Zwarte gaten zijn gebieden in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet uit hun omgeving kan ontsnappen. Ze ontstaan wanneer de kern van een massieve ster op zichzelf instort, en fungeren als kosmische stofzuigers. Superzware zwarte gaten een massa hebben die een miljoen maal groter is dan die van onze zon. Wetenschappers zoals wij bestuderen ze om te begrijpen hoe de zwaartekracht werkt en hoe sterrenstelsels ontstaan.
Uitzoeken of een sterrenstelsel een of twee zwarte gaten in het centrum heeft, is niet zo eenvoudig als het kraken van een ei en het onderzoeken van de dooier. Door te meten hoe vaak deze binaire superzware zwarte gaten ontstaan, kunnen onderzoekers echter beter begrijpen wat er met sterrenstelsels gebeurt als ze samensmelten.
In een nieuwe studie heeft ons team historische astronomische gegevens van meer dan honderd jaar doorzocht. We zochten naar licht dat werd uitgestraald door een sterrenstelsel dat tekenen vertoonde van de aanwezigheid van een binair superzwaar zwart gatensysteem.
Galactische botsingen
Sterrenstelsels zoals de Melkweg zijn bijna net zo oud als het universum. Soms zij botsen met andere sterrenstelselswat ertoe kan leiden dat de sterrenstelsels samensmelten en een groter, massiever sterrenstelsel vormen.
De twee zwarte gaten in het centrum van de twee samensmeltende sterrenstelsels kunnen, als ze dichtbij genoeg zijn, een door de zwaartekracht gebonden paar vormen. Dit paar kan leven tot honderden miljoenen jaren voordat de twee zwarte gaten uiteindelijk samensmelten tot één.
Superzware zwarte gaten die om elkaar heen draaien, kunnen zwaartekrachtsgolven uitzenden.
Binaire zwarte gaten geven energie vrij in de vorm van zwaartekrachtgolven – rimpelingen in de ruimte-tijd die gespecialiseerde observatoria kunnen detecteren. Volgens Einstein algemene relativiteitstheoriedeze rimpelingen reizen met de snelheid van het licht, waardoor de ruimte zelf zich uitbreidt en eromheen knijpt, een beetje als een golf.
Pulsar-timingarrays gebruik pulsarsde dichte, heldere kernen van ingestorte sterren. Pulsars draaien erg snel. Onderzoekers kunnen zoeken naar hiaten en afwijkingen in het patroon van radiogolven die door deze draaiende pulsars worden uitgezonden om zwaartekrachtgolven te detecteren.
Hoewel pulsar-timingarrays het collectieve zwaartekrachtgolfsignaal van het geheel van binaire sterren van de afgelopen 9 miljard jaar kunnen detecteren, zijn ze nog niet gevoelig genoeg om het zwaartekrachtgolfsignaal van een enkel binair systeem in één sterrenstelsel te detecteren. En zelfs de krachtigste telescopen kunnen deze binaire zwarte gaten niet rechtstreeks in beeld brengen. Astronomen moeten dus slimme indirecte methoden gebruiken om erachter te komen of een sterrenstelsel een binair superzwaar zwart gat in zijn centrum heeft.
Tekenen van binaire zwarte gaten
Eén type indirecte methode omvat het zoeken naar periodieke signalen uit de centra van actieve sterrenstelsels. Dit zijn sterrenstelsels die aanzienlijk meer energie uitstoten dan astronomen zouden verwachten op basis van de hoeveelheid sterren, gas en stof die ze bevatten.
Deze sterrenstelsels zenden energie uit vanuit hun kern, of centrum, genaamd de actieve galactische kern. In een proces dat accretie wordt genoemd, gebruikt het zwarte gat in elk actief sterrenstelsel de zwaartekracht om nabijgelegen gas naar binnen te trekken. Het gas versnelt naarmate het de waarnemingshorizon van het zwarte gat nadert – net zoals water rond een draaikolk steeds sneller beweegt terwijl het naar binnen spiraalt.
Naarmate het gas warmer wordt, gloeit het helder in optisch, ultraviolet en röntgenlicht. Actieve galactische kernen behoren tot de meest lichtgevende objecten in het universum.
Sommige actieve galactische kernen kunnen jets lanceren, dit zijn deeltjesbundels die worden versneld tot bijna de snelheid van het licht. Wanneer deze jets zich op één lijn bevinden met de gezichtslijnen van onze observatoria, lijken ze extreem helder. Het zijn net kosmische vuurtorens.
Sommige actieve galactische kernen hebben periodieke lichtsignalen die helder worden, vervagen en dan weer helder worden. Dit unieke signaal zou afkomstig kunnen zijn van de cyclische beweging van twee superzware zwarte gaten daarbinnen, en het suggereert dat astronomen op zoek zijn naar een binair zwart gatensysteem in dat sterrenstelsel.
De beloften van PG 1553+153
Ons team bestudeerde zo’n actieve galactische kern, genaamd PG 1553+153. Het licht van dit object wordt helderder en zwakker ongeveer elke 2,2 jaar.
Deze periodieke variaties suggereren dat PG 1553+153 heeft een superzwaar binair zwart gat binnenin. Maar een binair getal is niet de enige verklaring voor deze variatie. Andere verschijnselen, zoals wiebelende jets of veranderingen in de materiaalstroom rond het zwarte gat, zouden dit patroon ook kunnen verklaren zonder de aanwezigheid van een binair zwart gat, dus moesten we die uitsluiten.
Om te begrijpen of de lichtemissiepatronen van het PG 1553+153-systeem afkomstig waren van een binair zwart gat, we hebben gesimuleerd hoe binaire superzware zwarte gaten verzamelen gas. Onze modellen suggereerden dat wanneer de zwarte gaten gas aanzuigen, zich soms dichte klonten gas rond de buitenkant van het gat verzamelen.
We hebben berekend dat de tijd die deze klonten nodig hebben om rond de twee zwarte gaten te cirkelen vijf tot tien keer langer zou moeten zijn dan de tijd die de twee zwarte gaten nodig hebben om om elkaar heen te cirkelen.
Dus we hadden eindelijk een duidelijke voorspelling die we konden testen. Als een binair zwart gatensysteem de periodieke variatie van 2,2 jaar in PG 1553+153 veroorzaakte, dan zouden we ook een langer variatiepatroon moeten kunnen zien, ongeveer elke 10 tot 20 jaar, wanneer de gasklonten rond de zwarte gaten cirkelen. .
Maar om te zien of dit echt een patroon was, moesten we het vier tot vijf cycli zien herhalen. Voor PG 1553+153 zou dat 40 tot 100 jaar zijn.
Astronomen hebben de hemel waargenomen al honderden jaren. Maar het tijdperk van de digitale astronomie, waarin astronomische beelden op computers worden vastgelegd en in databases worden opgeslagen, is zeer recent – pas sinds het jaar 2000 of zo.
Voor die tijd, vanaf ongeveer 1850, legden astronomen beelden van de hemel vast op fotografische platen. Dit zijn platte stukjes glas bedekt met een lichtgevoelige chemische laag die traditioneel in de fotografie wordt gebruikt. Veel observatoria over de hele wereld beschikken over fotografische beelden van de nachtelijke hemel die meer dan honderd jaar oud zijn. Voordien schetsten astronomen in hun notitieboekjes hoe de hemel eruit zag.
Projecten zoals DASCH en Digital Access to a Sky Century op Harvard zijn begonnen met digitaliseren fotografische platen van enkele observatoria om ze beschikbaar te maken voor zowel wetenschappers als niet-wetenschappers.
Ons team ontdekte dat de DASCH-database gegevens verstrekte over PG 1553+153 die teruggaan tot 1900 – meer dan 120 jaar. We hebben deze dataset gebruikt om te zien of we een patroon konden zien dat zich elke 10 tot 20 jaar herhaalde.
Enigszins tot onze verbazing, we hebben een patroon van twintig jaar gevonden dat voegt meer bewijs toe aan onze theorie dat er een binair systeem in de kern van PG 1553+153 zit. De detectie van dit tweede patroon heeft ons ook geholpen erachter te komen dat de massa van de twee superzware zwarte gaten een verhouding van 2,5:1 heeft – waarbij de ene tweeënhalf keer zo groot is als de andere – en dat hun baan bijna cirkelvormig is.
Hoewel deze historische gegevens ons meer vertrouwen geven dat er twee superzware zwarte gaten in PG 1553+153 zijn, kunnen we dat nog steeds niet met zekerheid zeggen. De definitieve bevestiging moet mogelijk wachten totdat de pulsar-timingarrays gevoelig genoeg worden om de zwaartekrachtsgolven afkomstig van PG 1553+153 te detecteren.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek door Marco Ajello en Jonathan Zrake aan de Clemson Universiteit. Lees de origineel artikel hier.
