Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach niemal wszystkich dużych galaktyk, przechylając kosmiczną szalę na miliony, a nawet miliardy mas Słońca. Jak stają się tak duże, pozostaje upartą zagadką: akrecja gazu z otoczenia to jedna z dróg, ale najwyraźniej zbyt wolna, by wyjaśnić największe przykłady. Łączenie się z innymi masywnymi czarnymi dziurami jest głównym kandydatem na brakujące wyjaśnienie.

Zderzenia galaktyk są powszechne w całym Wszechświecie, więc ich centralne czarne dziury również powinny w końcu się spotkać. Gdy dwie galaktyki się łączą, oczekuje się, że ich czarne dziury zbliżą się do siebie, zaczną krążyć wokół siebie i stopniowo spiralnie zbliżać się do środka, aż się połączą. Modelowanie tych końcowych etapów pozostaje jednak bólem głowy, a astronomowie nigdy nie zidentyfikowali wiarygodnie pary supermasywnych czarnych dziur krążących bardzo blisko siebie – mimo obfitych dowodów na zderzające się galaktyki.

Teraz międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Silke Britzen z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka (MPIfR) w Bonn odkrył bezpośrednie dowody obserwacyjne sugerujące właśnie taką parę w centrum galaktyki Mrk 501. Wyniki zostały przyjęte do publikacji w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society i mają ukazać się w nadchodzącym numerze.

Astronomowie od dawna wiedzą, że centralna czarna dziura Mrk 501 wystrzeliwuje intensywny strumień cząstek w przestrzeń z prędkością bliską prędkości światła, napędzany ekstremalnymi warunkami i potężnymi polami magnetycznymi otaczającymi czarną dziurę. Aby zbadać ten system, naukowcy przeanalizowali szczegółowe obserwacje radiowe na wielu częstotliwościach, zebrane w dziesiątki oddzielnych dni w ciągu około 23 lat. Rozległy zestaw danych ujawnił coś niezwykłego: obok znanego dżetu znajdował się drugi dżet, którego ruch również można było śledzić.

Obserwacje dostarczają tego, co badacze nazywają pierwszym bezpośrednim dowodem obrazowym takiego systemu w centrum galaktyki, co silnie sugeruje obecność drugiej supermasywnej czarnej dziury. Same dwie czarne dziury pozostają zbyt blisko siebie na niebie, by można je było indywidualnie rozdzielić.

"Szukaliśmy tego tak długo, a potem przyszło to jako całkowite zaskoczenie, że mogliśmy nie tylko zobaczyć drugi dżet, ale nawet śledzić jego ruch" – relacjonuje Britzen.

Dwie supermasywne czarne dziury w kosmicznym tańcu

Wcześniej znany dżet jest skierowany w stronę Ziemi, co sprawia, że wydaje się wyjątkowo jasny i stosunkowo łatwy do obserwacji. Nowo zidentyfikowany dżet wskazuje inny kierunek, co pomaga wyjaśnić, dlaczego pozostawał ukryty tak długo.

W ciągu zaledwie kilku tygodni obserwacji astronomowie zauważyli dramatyczne zmiany w pozycji drugiego dżetu. Wydawało się, że wyłania się zza większej czarnej dziury i przemiata wokół niej przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ruch się powtarzał, sugerując, że cały system podlega regularnemu ruchowi orbitalnemu.

"Ocena danych była jak bycie na statku. Cały system dżetów jest w ruchu. System dwóch czarnych dziur może to wyjaśnić: płaszczyzna orbitalna kołysze się" – wyjaśnia Britzen.

Badacze zidentyfikowali również niezwykłe zdarzenie w czerwcu 2022 r., kiedy promieniowanie z systemu zdawało się tworzyć pierścień. To zjawisko, znane jako pierścień Einsteina, występuje, gdy grawitacja zakrzywia światło w sposób tworzący pierścieniowy wygląd. Jedno z możliwych wyjaśnień: dwie czarne dziury i Ziemia były przez krótki czas ustawione w odpowiedni sposób, a grawitacja pierwszej planu czarnej dziury działała jak soczewka, zakrzywiając światło drugiego dżetu za nią. Ten efekt, zwany soczewkowaniem grawitacyjnym, oferuje kolejną potencjalną wskazówkę co do natury systemu.

Dwie czarne dziury mogą się połączyć w zaledwie 100 lat

Analizując zmiany w dżetach i powtarzające się wzorce w ich jasności, zespół obliczył, że dwie czarne dziury wydają się okrążać się nawzajem mniej więcej co 121 dni. Ich szacowany odstęp wynosi zaledwie 250 do 540 razy odległość między Ziemią a Słońcem – co brzmi ogromnie, dopóki nie przypomnimy sobie, że obiekty te mają masy od 100 mil