In een sterrenstelsel op vier miljard lichtjaar afstand zijn drie superzware zwarte gaten opgesloten in een wervelende omhelzing. Het is het strakste trio van zwarte gaten dat tot nu toe bekend is en suggereert zelfs dat deze dicht opeengepakte systemen vaker voorkomen dan eerder werd gedacht.
"Wat voor mij buitengewoon blijft, is dat deze zwarte gaten, die aan de uiterste kant staan van Einsteins Theorie van Algemene Relativiteit, met 300 keer de geluidssnelheid om de aarde cirkelen", zegt hoofdauteur Roger Deane van de University of Cape Town in een persbericht.
'Niet alleen dat, maar met behulp van de gecombineerde signalen van radiotelescopen op vier continenten kunnen we dit exotische systeem een derde van de weg door het heelal waarnemen. Het boeit me enorm, want dit is slechts het oppervlak aan het krabben van een lange lijst van ontdekkingen die mogelijk worden gemaakt met de Square Kilometre Array. ”
Het systeem, genaamd SDSS J150243.091111557.3, werd vier jaar geleden voor het eerst geïdentificeerd als een quasar - een superzwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel, dat snel materiaal ophaalt en helder schijnt. Maar het spectrum was ietwat maf met de dubbel geïoniseerde zuurstofemissielijn [OIII] die in twee pieken werd verdeeld in plaats van in één.
Een gunstige verklaring suggereerde dat er twee actieve superzware zwarte gaten verborgen waren in de kern van de melkweg.
Een actief sterrenstelsel vertoont doorgaans smalle pieken met een enkele emissie, die voortkomen uit een omringend gebied van geïoniseerd gas, vertelde Deane aan Space Magazine. Het feit dat dit actieve sterrenstelsel dubbelepiekige emissielijnen vertoont, suggereert dat er twee omliggende gebieden van geïoniseerd gas zijn en dus twee actieve superzware zwarte gaten.
Maar een van de superzware zwarte gaten was in stof gehuld. Dus groeven Deane en collega's een beetje verder. Ze gebruikten een techniek genaamd Very Long Baseline Interferometry (VLBI), een middel om telescopen met elkaar te verbinden, waarbij signalen tot 10.000 km van elkaar worden gescheiden om details te zien die 50 keer groter zijn dan die van de Hubble-ruimtetelescoop.
Waarnemingen van het Europese VLBI-netwerk - een reeks Europese, Chinese, Russische en Zuid-Amerikaanse antennes - toonden aan dat het met stof bedekte superzware zwarte gat opnieuw twee was in plaats van één, waardoor het systeem in totaal drie superzware zwarte gaten kreeg.
'Dit was zo verrassend', vertelde Deane aan Space Magazine. 'Ons doel was om de twee vermoedelijke zwarte gaten te bevestigen. We hadden niet verwacht dat een van deze er in feite twee zou zijn, wat alleen kon worden onthuld door het Europese VLBI-netwerk vanwege [het] zeer fijne detail dat het kan onderscheiden. ”
Deane en collega's keken door zes vergelijkbare sterrenstelsels voordat ze hun eerste trio vonden. Het feit dat ze er zo snel een hebben gevonden, suggereert dat ze vaker voorkomen dan eerder werd gedacht.
Vóór vandaag waren er slechts vier drievoudige zwarte-gat-systemen bekend, waarvan het dichtstbijzijnde paar 2,4 kiloparsecs van elkaar verwijderd was - ongeveer 2000 keer de afstand van de aarde tot de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri. Maar het dichtstbijzijnde paar in dit trio wordt slechts door 140 parsecs gescheiden - ongeveer 10 keer diezelfde afstand.
Hoewel Deane en collega's vertrouwden op de fenomenale resolutie van de VLBI-techniek om de twee close-in zwarte gaten ruimtelijk van elkaar te scheiden, toonden ze ook aan dat hun aanwezigheid kon worden afgeleid uit grootschalige kenmerken. De orbitale beweging van het zwarte gat wordt bijvoorbeeld afgedrukt op de grote stralen, waardoor ze in een spiraalvormige vorm worden gedraaid. Dit kan kleinere telescopen voorzien van een hulpmiddel om ze veel efficiënter te vinden.
"Als het resultaat standhoudt, zal het heel gaaf zijn", vertelde binaire superzware black hole-expert Jessie Runnoe van de Pennsylvania State University aan Space Magazine. Dit onderzoek heeft meerdere implicaties voor het begrijpen van verdere verschijnselen.
De eerste werpt licht op de evolutie van sterrenstelsels. Twee of drie superzware zwarte gaten zijn het rokende wapen dat de melkweg met een andere is versmolten. Dus door deze sterrenstelsels in detail te bekijken, kunnen astronomen begrijpen hoe sterrenstelsels zijn geëvolueerd naar hun huidige vormen en afmetingen.
De tweede werpt licht op een fenomeen dat bekend staat als zwaartekrachtstraling. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat wanneer een van de twee of drie superzware zwarte gaten naar binnen spiralen, gravitatiegolven - rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd zelf - zich verspreiden in de ruimte.
Toekomstige radiotelescopen zouden in staat moeten zijn om zwaartekrachtsgolven te meten van systemen zoals hun baanverval.
"Verder in de toekomst zal de Square Kilometre Array ons in staat stellen deze systemen tot in de kleinste details te vinden en te bestuderen, en kunnen we echt een veel beter begrip krijgen van hoe zwarte gaten sterrenstelsels vormen in de geschiedenis van het heelal," zei co-auteur Matt Jarvis van de universiteiten van Oxford en Western Cape.
Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
