Supermassiva svarta hål i galaxernas centrum är ett av de mest aktiva forskningsområdena inom astronomin. För att kunna bygga upp sina enorma massor måste de gå samman med varandra.
En forskargrupp under ledning av Silke Britzen från Max Planck-institutet för radioastronomi (MPIfR) i Bonn har hittat direkta bevis på att två supermassiva svarta hål i galaxen Markarian 501 kretsar mycket nära varandra. Detta kan vara första gången som ett par som är på väg att smälta samman har upptäckts. Detta ger en unik möjlighet att bättre förstå en central process i galaxernas utveckling.
Resultaten tyder på att det finns ett supermassivt svart hål i centrum av nästan varje stor galax, med en massa som är miljoner eller till och med miljarder gånger större än vår sols. Det är fortfarande oklart exakt hur de kan uppnå så enorma massor. Att enbart samla in (ackretionera) gas från omgivningen skulle ta för lång tid, så det är troligt att de måste gå samman med andra massiva svarta hål. Galaxkollisioner har observerats över hela vårt universum. Det är därför mycket troligt att de supermassiva svarta hålen i centrum av dessa kolliderande galaxer också går samman, först genom att kretsa allt närmare varandra och slutligen smälta samman till ett.
Avslöjande partikelstråle
Teoretiska modeller kan dock ännu inte beskriva denna slutfas med precision. För att komplicera saken ytterligare har inget par av massiva svarta hål i närheten ännu upptäckts på ett tillförlitligt sätt, trots att kollisioner mellan galaxer är vanliga på kosmiska tidsskalor. Den senaste studien av galaxen Markarian 501 (Mrk 501) i stjärnbilden Herkules har ändrat på det. Arbetet har publicerats i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Det svarta hålet i centrum av Mrk 501 slungar ut en kraftfull stråle av partiklar som färdas med nästan ljusets hastighet ut i rymden. För studien analyserade teamet högupplösta observationer av området. Dessa täcker olika radiofrekvenser och samlades in under dussintals dagar under en period på cirka 23 år. Dessa långsiktiga data avslöjar inte bara en enda stråle, utan även en andra. Det är den första direkta bilden av ett sådant system i mitten av en galax, och en tydlig indikation på förekomsten av ett andra supermassivt svart hål. ”Vi letade efter det så länge, och sedan kom det som en total överraskning att vi inte bara kunde se en andra stråle, utan till och med spåra dess rörelse”, rapporterar Britzen.
Svarta håls nära dans
Den första strålen pekar mot jorden, vilket är anledningen till att den framstår som särskilt ljus för oss och har varit känd sedan länge. Den andra strålen är orienterad annorlunda och var därför svårare att upptäcka. Under en period på bara några veckor observerade astronomerna betydande förändringar: Den andra strålen startar bakom det större svarta hålet och rör sig moturs runt det. Denna process upprepar sig.
”Att utvärdera data kändes som att befinna sig på ett fartyg. Hela strålsystemet är i rörelse. Ett system med två svarta hål kan förklara detta: Banan svänger”, förklarar Britzen. Under en observationsdag i juni 2022 nådde strålningen från systemet oss på en så krokig väg att den framträdde ringformad – en så kallad Einsteins ring. Den mest troliga förklaringen är att systemet var perfekt inriktat mot oss. Gravitationslinsning från det kända svarta hålet i främre ledet formade då ljuset från den andra strålen bakom det.
Genom att analysera utvecklingen över tid och återkommande mönster i strålarnas ljusstyrka kunde forskarna sluta sig till att de två svarta hålen kretsar kring varandra med en omloppstid på cirka 121 dagar. De ligger ungefär 250 till 540 gånger längre ifrån varandra än avståndet mellan jorden och solen – en ytterst liten sträcka för sådana extrema objekt med massor på mellan 100 miljoner och en miljard gånger solens. Beroende på deras faktiska massor kan avståndet mellan dem minska så snabbt att de kan smälta samman på så kort tid som 100 år.
Nedräkning till finalen
På grund av det stora avståndet mellan Mrk 501 och jorden kan inte ens de mest avancerade observationsmetoderna avbilda de två svarta hålen som separata objekt. Inte ens Event Horizon Telescope (EHT), som gav oss de första bilderna av svarta hål 2019 och 2022, är tillräckligt kraftfullt. Den alltmer krympande banan för paret i Mrk 501 kommer därför inte att kunna observeras direkt. Trots detta förväntar sig forskarna tydliga bevis på det ständigt minskande avståndet mellan de två svarta hålen: Systemet bör avge gravitationsvågor vid mycket låga frekvenser, vilka skulle kunna detekteras med hjälp av pulsartiming-arrayer (PTA:er).
Supermassiva svarta hålpar (SMBHB:er) är redan den mest troliga förklaringen till den observerade bakgrundsstrålningen av gravitationsvågor, för vilken bevis hittades 2023 av European Pulsar Timing Array och andra. Mrk 501 är nu en huvudkandidat för att hänföra gravitationsvågsstrålning som mätts med PTA:er till ett specifikt supermassivt svart hål-par. ”Om gravitationsvågor detekteras kan vi till och med se deras frekvens stiga stadigt när de två jättarna spiralformar sig mot kollision, vilket ger en sällsynt chans att se en sammanslagning av supermassiva svarta hål utvecklas”, konstaterar medförfattaren Héctor Olivares.
Publikationsuppgifter
S Britzen et al, Detection of a second jet within the nuclear core of Mrk 501, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026). DOI: 10.1093/mnras/stag291
