Naučnici su otkrili crne rupe u galaksiji koja je toliko udaljena da je njenoj svjetlosti trebalo 12,5 milijardi godina da stigne do nas, što znači da je vidimo onakvom kakva je bila manje od 1,3 milijarde godina nakon Velikog praska. Ovo pruža snažne dodatne dokaze da je jedan od načina na koji su crne rupe u ranom svemiru tako brzo dostigle ogromne mase zapravo bilo njihovo spajanje.
“Ovo je prvi dokaz o postojanju tri aktivne crne rupe u jednoj galaksiji u dalekom svemiru. To ukazuje na činjenicu da su procesi u ranom svemiru bili efikasni u približavanju masivnih crnih rupa jednih drugima, stvarajući uslove za spajanja masivnih crnih rupa koja očekujemo da ćemo detektovati budućim opservatorijama gravitacionih talasa”, rekla je Hannah Übler, astronomkinja s Instituta Max Planck za vanzemaljsku fiziku u Njemačkoj, koja je vodila istraživanje.
Galaksija u kojoj se nalaze crne rupe katalogizovana je kao J0148-4214 i toliko je udaljena (njihov crveni pomak iznosi 5,0167) da svemirski teleskop James Webb (JWST), koji je došao do ovog otkrića, nije mogao direktno vidjeti crne rupe. Umjesto toga, jedinica za spektroskopiju integrisanog polja na JWST-ovom spektrografu za blisku infracrvenu svjetlost (NIRSpec) izmjerila je kretanje vodikovog gasa koji se velikom brzinom vrtloži oko svake crne rupe u akrecionim diskovima koji ih okružuju.
“Podaci JWST-a omogućili su nam ne samo da identifikujemo tri crne rupe, već i da procijenimo njihove mase, stope akrecije i zvjezdanu masu galaksije. Utvrđujemo da ukupna zvjezdana masa iznosi oko 1,3 milijarde masa Sunca, a crne rupe predstavljaju značajan dio te mase”, rekao je Giovanni Mazzolari s Instituta Max Planck za vanzemaljsku fiziku.
Dvije crne rupe nalaze se u centru galaksije J0148-4214, a međusobno su udaljene 620 svjetlosnih godina. Jedna od tih crnih rupa ima ogromnu masu 80 miliona puta veću od mase našeg Sunca, dok je njena pratilja, u poređenju s njom, prava sićušna crna rupa sa 600.000 Sunčevih masa.
Ipak, uprkos svojoj maloj masi, manja crna rupa raste ogromnom brzinom jer akumulira gas brže od Eddingtonove granice.
To je teoretski maksimalna brzina kojom materijal može padati prema crnoj rupi. Ako je brzina veća, akrecioni disk oko crne rupe postaje toliko gust i vruć da zračenje iz diska izbacuje materijal nazad prema van, čime se zaustavlja intenzivno “hranjenje” crne rupe. To znači da će manja crna rupa moći nastaviti rasti ovom brzinom samo kratko vrijeme, prije nego što negativna povratna sprega zaustavi taj proces.
Treća crna rupa nalazi se 5.500 svjetlosnih godina od centra galaksije J0148-4214 i ima masu dva miliona puta veću od mase našeg Sunca.
To je otprilike polovina mase supermasivne crne rupe u centru naše galaksije Mliječni put, poznate kao Sagittarius A*. Smatra se da su ova treća crna rupa, a vrlo vjerovatno i druga, dospjele u galaksiju J0148-4214 putem spajanja galaksija.
“Ovi rezultati su izuzetno uzbudljivi. Oni ukazuju na to da bi spajanje crnih rupa moglo predstavljati dodatni, brz način njihovog ubrzanog rasta u ranom svemiru”, rekao je Roberto Maiolini s Univerziteta Cambridge, koji je učestvovao u istraživanju.
Spajanja crnih rupa proizvode izboje gravitacionih talasa.
Trenutni detektori gravitacionih talasa, uključujući Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) u SAD, Virgo u Italiji i KAGRA u Japanu, mogu detektovati gravitacione talase visoke frekvencije i kratke talasne dužine koji nastaju spajanjem crnih rupa zvjezdane mase, odnosno crnih rupa koje nastaju u određenim eksplozijama supernova.
Za detekciju gravitacionih talasa mnogo duže talasne dužine i niže frekvencije, koji nastaju spajanjem supermasivnih crnih rupa poput onih u galaksiji J0148-4214, potreban je svemirski detektor čija bi osnovica bila dugačka više miliona kilometara.
U tu svrhu Evropska svemirska agencija planira lansirati LISA-u (Laser Interferometer Space Antenna), a ako sve bude išlo prema planu, LISA bi trebala biti lansirana sredinom 2030-ih. Sastojat će se od tri svemirske letjelice postavljene u obliku trougla, pri čemu će svaka stranica trougla biti duga 2,5 miliona kilometara.
Tri svemirske letjelice međusobno će usmjeravati laserske zrake, tražeći promjene u vremenu potrebnom tim laserskim zrakama da pređu put između njih, što bi predstavljalo dokaz prolaska gravitacionog talasa duge talasne dužine.
Međutim, kada je riječ o galaksiji J0148-4214, postoji jedna važna napomena, a to je da treća crna rupa možda nije na putanji sudara s druge dvije. Umjesto toga, moguće je da se kreće prema izlasku iz galaksije.
To je klasični “problem tri tijela”, odnosno kako međusobno djeluju tri objekta koji orbitiraju jedan oko drugog.
Dvije manje crne rupe možda su ušle u galaksiju J0148-4214 kao binarni par, a zatim, dok su se približavale crnoj rupi mase 80 miliona Sunčevih masa, masivnija crna rupa mogla je “zgrabiti” crnu rupu mase 600.000 Sunčevih masa, istovremeno razmjenjujući ugaoni moment s crnom rupom mase dva miliona Sunčevih masa i izbacujući je velikom brzinom.
Sličan efekat vidimo i u našoj galaksiji kod zvijezda hiperbrzine koje jure izvan Mliječnog puta. Te zvijezde su nekada bile dio binarnog para zvijezda koji se previše približio Sagittariusu A, crnoj rupi u centru naše galaksije.
Jednu polovinu binarnog sistema zarobila je crna rupa, dok je druga izbačena.
Trenutno ne postoji način da se izmjeri smjer kretanja treće crne rupe u galaksiji J0148-4214 i potvrdi hoće li se ona spojiti s druge dvije crne rupe ili pobjeći. Ako je pobjegla, moguće je da i danas, 12,5 milijardi godina kasnije, sama i nevidljiva luta međugalaktičkim prostorom.
Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Astronomy & Astrophysics.
