Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van bijna alle grote sterrenstelsels en wegen miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon. Hoe ze zo groot worden blijft een hardnekkig raadsel: gas uit hun omgeving aantrekken is één route, maar dat is blijkbaar te langzaam om de grootste exemplaren te verklaren. Samensmelten met andere massieve zwarte gaten is de belangrijkste kandidaat voor de ontbrekende verklaring.

Botsingen tussen sterrenstelsels komen veel voor in het universum, dus hun centrale zwarte gaten zouden uiteindelijk ook bij elkaar moeten komen. Wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, wordt verwacht dat hun zwarte gaten dichter bij elkaar komen, om elkaar heen gaan draaien en geleidelijk naar binnen spiralen tot ze samensmelten. Het modelleren van die laatste fasen blijft echter een hoofdpijn, en astronomen hebben nog nooit betrouwbaar een paar superzware zwarte gaten geïdentificeerd die extreem dicht bij elkaar in een baan om elkaar heen draaien - ondanks overvloedig bewijs van botsende sterrenstelsels.

Nu heeft een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Silke Britzen van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Bonn direct observationeel bewijs gevonden dat precies zo'n paar suggereert in het centrum van het sterrenstelsel Mrk 501. De bevindingen zijn geaccepteerd voor publicatie in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en staan gepland voor een komende editie.

Astronomen weten al lang dat het centrale zwarte gat van Mrk 501 een intense straal van deeltjes de ruimte in schiet met bijna de snelheid van het licht, aangedreven door de extreme omstandigheden en krachtige magnetische velden rond het zwarte gat. Om het systeem te onderzoeken, bekeken onderzoekers gedetailleerde radio-observaties op meerdere frequenties, verzameld op tientallen afzonderlijke dagen over ongeveer 23 jaar. De uitgebreide dataset onthulde iets opmerkelijks: naast de bekende straal was er een tweede straal waarvan ook de beweging kon worden gevolgd.

De waarnemingen leveren wat de onderzoekers het eerste directe beeldbewijs van zo'n systeem in het centrum van een sterrenstelsel noemen, wat sterk suggereert dat er een tweede superzwaar zwart gat aanwezig is. De twee zwarte gaten zelf staan te dicht bij elkaar aan de hemel om afzonderlijk te kunnen worden onderscheiden.

"We hebben er zo lang naar gezocht, en toen kwam het als een complete verrassing dat we niet alleen een tweede straal konden zien, maar zelfs de beweging ervan konden volgen," meldt Britzen.

Twee superzware zwarte gaten in een kosmische dans

De eerder bekende straal is op de aarde gericht, waardoor hij uitzonderlijk helder lijkt en relatief gemakkelijk waar te nemen is. De nieuw geïdentificeerde straal wijst in een andere richting, wat helpt verklaren waarom hij zo lang verborgen bleef.

In slechts een paar weken aan waarnemingen merkten astronomen dramatische veranderingen op in de positie van de tweede straal. Hij leek van achter het grotere zwarte gat tevoorschijn te komen en er tegen de klok in omheen te vegen. De beweging herhaalde zich, wat suggereert dat het hele systeem een regelmatige baarbeweging onderging.

"Het evalueren van de gegevens voelde als op een schip zitten. Het hele straalsysteem is in beweging. Een systeem van twee zwarte gaten kan dit verklaren: het baanoppervlak zwaait," legt Britzen uit.

De onderzoekers identificeerden ook een ongewone gebeurtenis in juni 2022, toen straling van het systeem een ring leek te vormen. Dit fenomeen, bekend als een Einstein-ring, treedt op wanneer zwaartekracht licht afbuigt op een manier die een ringachtige verschijning creëert. Een mogelijke verklaring: de twee zwarte gaten en de aarde waren kortstondig precies goed uitgelijnd, waarbij de zwaartekracht van het voorgrond-zwarte gat als een lens fungeerde en licht van de tweede straal erachter afboog. Dit effect, gravitatielenzing genaamd, biedt een andere mogelijke aanwijzing voor de aard van het systeem.

Twee zwarte gaten kunnen al over 100 jaar samensmelten

Door veranderingen in de stralen en terugkerende patronen in hun helderheid te onderzoeken, berekende het team dat de twee zwarte gaten ongeveer elke 121 dagen een baan om elkaar lijken te voltooien. Hun geschatte scheiding is slechts 250 tot 540 keer de afstand tussen de aarde en de zon - wat enorm klinkt, tot je je herinnert dat deze objecten massa's hebben van 100 miljoen