Galaxiile se ciocnesc des în tot Universul, așa că, probabil, și găurile negre din centrul lor ajung până la urmă să se contopească. Ciudat este că astronomii, deși au dovezi din belșug despre coliziunile dintre galaxii, nu au identificat încă cu certitudine nicio pereche de găuri negre supermasive care să orbiteze extrem de aproape una de cealaltă. O echipă internațională a găsit acum dovezi observaționale directe care sugerează că o astfel de pereche există în centrul galaxiei Mrk 501. Iar cele două ar putea fi atât de apropiate încât, în funcție de masele lor reale, să se unească în doar 100 de ani.
Se consideră că aproape toate galaxiile mari au în centru o gaură neagră supermasivă. Masa acestor obiecte poate fi de milioane sau chiar de miliarde de ori mai mare decât a Soarelui, iar oamenii de știință nu înțeleg încă pe deplin cum ajung la dimensiuni atât de extraordinare. Una dintre căile prin care cresc este acreția, adică atragerea gazului din jur. Luat separat, însă, procesul ar putea fi prea lent pentru a explica cele mai mari exemplare, iar explicația care lipsește ar putea veni din fuziunea cu alte găuri negre masive.
Când două galaxii fuzionează, se preconizează că găurile lor negre se apropie, încep să orbiteze una în jurul celeilalte și se strâng treptat, în spirală, până se unesc într-un singur obiect. Așa arată previziunea, dar etapele finale ale acestor fuziuni le dau în continuare bătăi de cap celor care încearcă să le modeleze.
Un al doilea jet trădează o gaură neagră ascunsă
Echipa care a făcut descoperirea este condusă de Silke Britzen, de la Institutul Max Planck pentru Radioastronomie (MPIfR) din Bonn. Rezultatele au fost acceptate spre publicare în revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society și urmează să apară într-un număr viitor.
Astronomii știu de mult că gaura neagră din centrul Mrk 501 produce un jet intens de particule care țâșnesc în spațiu cu o viteză apropiată de cea a luminii. Astfel de jeturi se nasc din condițiile extreme din jurul găurilor negre, unde câmpuri magnetice puternice contribuie la accelerarea materiei spre exterior.
Ca să studieze sistemul, cercetătorii au examinat observații radio detaliate, făcute la mai multe frecvențe, în zeci de zile diferite, pe parcursul a aproximativ 23 de ani. Acest set amplu de date a scos la iveală ceva remarcabil: alături de jetul cunoscut se afla un al doilea jet, a cărui mișcare putea fi, la rândul ei, urmărită.
Potrivit cercetătorilor, observațiile reprezintă prima dovadă imagistică directă a unui astfel de sistem în centrul unei galaxii și sugerează cu tărie prezența unei a doua găuri negre supermasive. Găurile negre propriu-zise sunt însă prea apropiate una de alta pe cer ca să poată fi distinse separat.
„L-am căutat atâta timp, iar apoi a fost o surpriză totală că nu doar am putut vedea un al doilea jet, ci i-am putut chiar urmări mișcarea”, a declarat Silke Britzen.
Un jet care ocolește gaura neagră mai mare
Jetul cunoscut de mai demult este îndreptat spre Pământ, motiv pentru care pare excepțional de luminos și e relativ ușor de observat. Cel nou identificat este orientat în altă direcție, ceea ce explică în parte de ce a rămas ascuns atâta vreme.
În doar câteva săptămâni de observații, astronomii au văzut cum poziția celui de-al doilea jet se schimbă dramatic. Jetul părea să iasă din spatele găurii negre mai mari și să o înconjoare în sens invers acelor de ceasornic. Mișcarea s-a repetat, ceea ce sugerează că întregul sistem se afla într-o mișcare orbitală regulată.
„Analiza datelor a fost ca și cum ne-am fi aflat pe o navă. Întregul sistem de jeturi e în mișcare. Un sistem format din două găuri negre poate explica asta: planul orbital se leagănă”, a explicat Britzen.
Cercetătorii au surprins și un eveniment neobișnuit în iunie 2022, când radiația venită din sistem părea să formeze un inel. Fenomenul, cunoscut drept inelul lui Einstein, apare atunci când gravitația curbează lumina astfel încât aceasta capătă aspectul unui inel.
O posibilă explicație este că cele două găuri negre și Pământul s-au aliniat pentru scurt timp exact în poziția potrivită. În această configurație, gravitația găurii negre din prim-plan ar fi putut funcționa ca o lentilă, deviind lumina celui de-al doilea jet, aflat în spatele ei. Efectul, numit lentilă gravitațională, oferă încă un indiciu posibil despre natura sistemului.
O tură completă la fiecare 121 de zile
Analizând schimbările din jeturi și tiparele repetitive ale luminozității lor, echipa a calculat că cele două găuri negre par să facă o orbită completă una în jurul celeilalte aproximativ o dată la 121 de zile.
Distanța estimată dintre ele este de doar 250 până la 540 de ori distanța dintre Pământ și Soare. Poate părea enormă, dar pentru obiecte cu mase cuprinse între 100 de milioane și un miliard de ori masa Soarelui este remarcabil de mică.
O orbită atât de strânsă ar putea avea consecințe dramatice. În funcție de masele reale ale celor două găuri negre, distanța dintre ele s-ar putea micșora suficient de repede încât acestea să fuzioneze în doar 100 de ani. După standardele astronomice, ar fi un interval excepțional de scurt, care le-ar putea oferi cercetătorilor o ocazie extraordinară de a studia cum se apropie găurile negre supermasive de coliziunea finală.
Undele gravitaționale ar putea arăta cât de aproape e ciocnirea
Problema este că Mrk 501 se află atât de departe încât nici cele mai puternice instrumente de azi nu pot distinge cele două găuri negre ca obiecte separate. Nici Telescopul Orizontului de Evenimente (EHT), care a produs primele imagini ale unor găuri negre în 2019 și 2022, nu are rezoluția necesară pentru a le surprinde individual.
Astronomii nu vor putea, așadar, să vadă direct cum se micșorează distanța dintre ele. Există însă o altă metodă prin care apropierea lor ar putea ieși la iveală.
Obiectele masive care orbitează unul în jurul celuilalt generează unde gravitaționale, mici distorsiuni ale spațiu-timpului care se propagă prin Univers. Perechea propusă în Mrk 501 ar trebui să producă unde gravitaționale de frecvență extrem de joasă, care ar putea fi detectate cu ajutorul rețelelor de cronometrare a pulsarilor (PTA).
Pulsarii sunt stele neutronice care se rotesc rapid și emit impulsuri radio remarcabil de regulate, iar aceste rețele îi folosesc drept ceasuri cosmice precise. Măsurând schimbările subtile ale momentului în care impulsurile ajung pe Pământ, oamenii de știință pot căuta influența undelor gravitaționale care trec pe lângă ele.
Sistemele binare de găuri negre supermasive (SMBHB) sunt deja considerate principala explicație pentru fondul de unde gravitaționale, un semnal persistent despre care se crede că provine de la numeroase surse îndepărtate din tot Universul. În 2023, European Pulsar Timing Array și alte organizații de cercetare au raportat dovezi ale existenței acestui fond.
Fondul este însă un semnal colectiv, atribuit unor surse numeroase. Galaxia Mrk 501 ar putea oferi altceva: este o țintă deosebit de promițătoare pentru a lega un semnal de unde gravitaționale de o pereche anume de găuri negre supermasive. O astfel de detecție ar putea face mai mult decât să confirme existența sistemului: le-ar permite oamenilor de știință să măsoare cum evoluează orbita perechii și să stabilească dacă găurile negre se apropie de fuziunea finală.
„Dacă se detectează unde gravitaționale, am putea chiar să observăm cum frecvența lor crește constant pe măsură ce cei doi giganți se apropie în spirală de coliziune, ceea ce ar fi o șansă rară de a urmări desfășurarea unei fuziuni între găuri negre supermasive”, a spus coautorul studiului, Héctor Olivares.
Dacă perechea din Mrk 501 se confirmă, astronomii ar avea exemplul care le lipsea până acum: două găuri negre supermasive surprinse foarte aproape una de alta, în etapele finale pe care modelele le reproduc cu greu. Ar fi și un caz concret din tipul de fuziune care ar putea explica de ce unele dintre aceste obiecte au ajuns atât de mari. Deocamdată, a doua gaură neagră este dedusă din mișcarea jetului ei, iar cele două sunt prea apropiate pe cer ca să poată fi văzute separat. Cât timp mai au până la fuziune depinde de masele lor reale.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Nucleul Pământului eliberează tot felul de materiale ținute captive încă de la nașterea planetei
Oamenii de știință ar fi rezolvat, în sfârșit, misterul celor două fețe ale Lunii
Pământul și Marte sunt lumi stâncoase vecine, dar s-au format în moduri diferite
„Tot ce știm despre călătoriile spațiale se va schimba într-un deceniu”: descoperirea revoluționară din domeniul fuziunii care ar putea deschide drumul spre stele
