Superstora svarta hål sitter i centrum av nästan alla stora galaxer och väger miljoner eller till och med miljarder gånger mer än solen. Hur de blir så stora är fortfarande ett envis mysterium: att de suger åt sig gas från omgivningen är en väg, men det verkar alldeles för långsamt för att förklara de allra största exemplen. Sammanslagning med andra massiva svarta hål är den ledande kandidaten för den saknade förklaringen.

Galaxkollisioner är vanliga i hela universum, så deras centrala svarta hål borde så småningom också mötas. När två galaxer smälter samman förväntas deras svarta hål närma sig varandra, börja kretsa kring varandra och gradvis spiralera inåt tills de förenas. Att modellera dessa sista skeden är dock fortfarande en huvudvärk, och astronomer har aldrig på ett tillförlitligt sätt identifierat ett par superstora svarta hål som kretsar extremt nära varandra – trots rikliga bevis på kolliderande galaxer.

Nu har ett internationellt forskarlag lett av Silke Britzen vid Max Planck-institutet för radioastronomi (MPIfR) i Bonn hittat direkta observationsbevis som tyder på exakt ett sådant par i centrum av galaxen Mrk 501. Resultaten har accepterats för publicering i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society och planeras komma i ett kommande nummer.

Astronomer har länge vetat att Mrk 501:s centrala svarta hål skjuter ut en intensiv stråle av partiklar i rymden med nästan ljusets hastighet, driven av de extrema förhållandena och de kraftfulla magnetfälten runt det svarta hålet. För att undersöka systemet granskade forskarna detaljerade radioobservationer vid flera frekvenser, insamlade under dussintals separata dagar under cirka 23 år. Den omfattande datamängden avslöjade något anmärkningsvärt: vid sidan av den välbekanta strålen fanns en andra stråle vars rörelse också kunde följas.

Observationerna ger vad forskarna kallar de första direkta bildbevisen för ett sådant system i centrum av en galax, vilket starkt tyder på att ett andra supermassivt svart hål finns där. De två svarta hålen är fortfarande för nära varandra på himlen för att kunna urskiljas individuellt.

"Vi letade efter det så länge, och sedan kom det som en fullständig överraskning att vi inte bara kunde se en andra stråle, utan till och med följa dess rörelse", rapporterar Britzen.

Två superstora svarta hål i en kosmisk dans

Den tidigare kända strålen är riktad mot jorden, vilket gör att den framstår som exceptionellt ljus och relativt lätt att observera. Den nyidentifierade strålen pekar i en annan riktning, vilket bidrar till att förklara varför den höll sig dold så länge.

Under bara några veckors observationer märkte astronomerna dramatiska förändringar i den andra strålens position. Den tycktes komma fram bakom det större svarta hålet och svepa moturs runt det. Rörelsen upprepades, vilket tyder på att hela systemet genomgick en regelbunden omloppsrörelse.

"Att utvärdera data kändes som att vara på ett fartyg. Hela strålsystemet är i rörelse. Ett system med två svarta hål kan förklara detta: omloppsplanet svajar", förklarar Britzen.

Forskarna identifierade också en ovanlig händelse i juni 2022, då strålning från systemet tycktes bilda en ring. Detta fenomen, känt som en Einstein-ring, uppstår när gravitation böjer ljus på ett sätt som skapar ett ringliknande utseende. En möjlig förklaring: de två svarta hålen och jorden var tillfälligt inriktade på precis rätt sätt, med gravitationen från det främre svarta hålet som en lins som böjer ljuset från den andra strålen bakom det. Denna effekt, som kallas gravitationslinsning, erbjuder ännu en potentiell ledtråd till systemets natur.

Två svarta hål kan smälta samman om bara 100 år

Genom att undersöka förändringar i strålarna och upprepade mönster i deras ljusstyrka beräknade teamet att de två svarta hålen tycks fullborda ett varv runt varandra ungefär var 121:a dag. Deras uppskattade separation är bara 250 till 540 gånger avståndet mellan jorden och solen – vilket låter enormt, tills man påminner sig om att dessa objekt har massor som sträcker sig från 100 miljoner