นักดาราศาสตร์พบสถานที่ที่มีหลุมดำมวลมหาศาลสามดวงโคจรรอบกันและกัน

นักดาราศาสตร์พบหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs) สามดวงที่ใจกลางกาแลคซีทั้งสามที่ปะทะกันหนึ่งพันล้านปีแสงห่างจากโลก นี่คือหลักฐานที่แสดงว่าทั้งสามเป็นนิวเคลียสกาแลคซีที่ใช้งานอยู่ (AGN,) กลืนวัสดุและวูบวาบอย่างสดใส

การค้นพบนี้อาจทำให้เข้าใจถึง“ ปัญหาพาร์เซกขั้นสุดท้าย” ซึ่งเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นมายาวนานในการรวมตัวของฟิสิกส์ดาราศาสตร์และหลุมดำ

นักดาราศาสตร์ค้นพบ SMBHs สามตัวในข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์หลายตัวรวมถึง Sloan Digital Sky Survey (SDSS) หอดูดาวจันทราเอ็กซ์เรย์และ Explorer เขตสำรวจอินฟราเรด (WISE) หลุมดำทั้งสามนั้นถูกห่อหุ้มไว้ในเกือบ เหตุการณ์มหากาพย์อย่างเหลือเชื่อ การรวมกันของสามกาแลคซี การรวมกันของแฝดแฝดเหล่านี้อาจมีบทบาทสำคัญในการที่หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดเติบโตขึ้นตามกาลเวลา

“ นี่เป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดที่ยังพบว่าเป็นระบบที่สามของการให้อาหารหลุมดำมวลมหาศาลอย่างแข็งขัน”

Ryan Pfeifle, George Mason University, หัวหน้าทีม

นักดาราศาสตร์ที่พบว่ามันไม่ได้คาดหวังว่าจะพบหลุมดำสามดวงในใจกลางของการควบรวมของกาแลคซีสามดวง

“ เรากำลังมองหาหลุมดำคู่หนึ่งเท่านั้นในเวลานั้นและด้วยเทคนิคการเลือกของเราเราก็พบกับระบบที่น่าทึ่งนี้” Ryan Pfeifle จาก George Mason University ใน Fairfax รัฐเวอร์จิเนียผู้เขียนบทความเล่มใหม่ใน วารสารฟิสิกส์ดาราศาสตร์อธิบายผลลัพธ์เหล่านี้ “ นี่เป็นหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สุดที่ยังพบว่าเป็นระบบที่สามของการให้อาหารหลุมดำมวลมหาศาลอย่างแข็งขัน”

ระบบหลุมดำสามจุดนั้นยากที่จะสังเกตเห็นเพราะมีสิ่งต่างๆเกิดขึ้นมากมายในละแวกของพวกเขา พวกเขาถูกปกคลุมไปด้วยก๊าซและฝุ่นละอองที่ทำให้มองเห็นได้ยาก ในการศึกษานี้ใช้กล้องโทรทรรศน์หลายตัวที่ทำงานในส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อค้นพบสามหลุม มันยังทำงานของนักวิทยาศาสตร์พลเมืองบางคน

ไม่เพียง แต่มองเห็นได้ยาก แต่หายาก “ หลุมดำคู่และสามดวงนั้นหายากเหลือเกิน” โชบิต้า Satyapal ผู้ร่วมเขียนของ George Mason กล่าว“ แต่ระบบดังกล่าวเป็นผลมาจากการควบรวมกาแลคซีตามธรรมชาติซึ่งเราคิดว่าเป็นวิธีที่กาแลคซีเติบโตและวิวัฒนาการ”

SDSS เป็นคนแรกที่มองเห็นการควบรวมกิจการสามครั้งนี้ในแสงที่มองเห็นได้ แต่ผ่านทางกาแล็กซี่การ์เด้นซึ่งเป็นโครงการวิทยาศาสตร์ของพลเมืองเท่านั้น จากนั้น WISE เห็นว่าระบบกำลังส่องแสงในอินฟราเรดแสดงว่าอยู่ในช่วงของการรวมกาแลคซีเมื่อคาดว่าจะมีหลุมดำมากกว่าหนึ่งแห่ง

ข้อมูลของ Sloan และ WISE เป็นเพียงแค่ยั่วเย้าเบาะแสและนักดาราศาสตร์ก็หันไปที่หอดูดาวจันทราและกล้องโทรทรรศน์กล้องส่องทางไกลขนาดใหญ่ (LBT) เพื่อยืนยันเพิ่มเติม การสังเกตการณ์ของจันทราแสดงให้เห็นว่ามีแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างในใจกลางกาแลคซีแต่ละแห่ง นั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดหวังว่าจะพบ SMBH

มีหลักฐานเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่า SMBHs มาจากดาวเทียมจันทราและกล้องโทรทรรศน์นิวเคลียร์สเปคโทรสโคป (NuSTAR) ของนาซ่า พวกเขาพบหลักฐานของก๊าซและฝุ่นจำนวนมากใกล้กับหลุมดำแห่งหนึ่ง เป็นไปตามที่คาดไว้เมื่อมีการรวมหลุมดำ ข้อมูลแสงแบบออพติคอลอื่นจาก SDSS และ LBT เป็นหลักฐานทางสเปกตรัมที่เป็นลักษณะของการให้อาหาร SMBH ทั้งสาม

“ สเปกตรัมทางแสงประกอบด้วยข้อมูลมากมายเกี่ยวกับกาแลคซี” คริสตินามันซาโน่ผู้เขียนร่วมแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียแห่งริเวอร์ไซด์กล่าว “ พวกมันมักถูกใช้เพื่อระบุหลุมดำมวลมหาศาลและสามารถสะท้อนผลกระทบที่มีต่อกาแลคซีที่พวกมันอาศัยอยู่”

จากการทำงานนี้ทีมนักดาราศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการหาระบบหลุมดำทั้งสามเหล่านี้ให้มากขึ้น “ ด้วยการใช้หอสังเกตการณ์สำคัญ ๆ เหล่านี้เราได้ค้นพบวิธีใหม่ในการระบุหลุมดำมวลมหาศาลสามชั้น กล้องโทรทรรศน์แต่ละดวงให้ข้อมูลที่แตกต่างเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นในระบบเหล่านี้” Pfeifle กล่าว “ เราหวังว่าจะขยายงานของเราเพื่อค้นหาสิ่งต่าง ๆ อีกมากมายโดยใช้เทคนิคเดียวกัน”

พวกเขาอาจทำให้เข้าใจถึงปัญหาพาร์เซกขั้นสุดท้ายด้วยเช่นกัน

ปัญหา Parsec ขั้นสุดท้าย

ปัญหาพาร์เซกสุดท้ายคือศูนย์กลางของการเข้าใจการควบรวมของหลุมดำไบนารี เป็นปัญหาทางทฤษฎีที่บอกว่าเมื่อหลุมดำสองแห่งเข้าหากันพลังงานวงโคจรที่มากเกินไปของพวกมันจะหยุดพวกมันจากการรวมเข้าด้วยกัน พวกเขาสามารถไปถึงภายในไม่กี่ปีแสงจากนั้นก็จะรวมแผงกระบวนการ

เมื่อหลุมดำสองหลุมเริ่มเข้าหากันวิถีการไฮเพอร์โบลิกของพวกมันจะถูกส่งผ่านกันและกัน เมื่อเวลาผ่านไปขณะที่ทั้งสองหลุมมีปฏิสัมพันธ์กับดาวในบริเวณใกล้เคียงพวกเขาก็ยิงดาวฤกษ์แรงโน้มถ่วงถ่ายโอนพลังงานการโคจรของพวกมันไปยังดาวฤกษ์ทุกครั้งที่พวกมันทำ การปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงลดพลังงานของหลุมดำด้วย

ในที่สุดหลุมดำทั้งสองก็มีพลังงานโคจรเพียงพอที่จะชะลอตัวและเข้าหากันอย่างใกล้ชิดมากขึ้นและเข้ามาภายในไม่กี่พาร์เซกของกันและกัน ปัญหาคือเมื่อพวกเขาปิดระยะทางสสารถูกยิงออกมาจากบริเวณใกล้เคียงมากขึ้นผ่านการยิงสลิง นั่นหมายความว่าหลุมดำจะไม่มีปฏิกิริยาต่อและปลดปล่อยพลังงานการโคจรมากขึ้นอีกต่อไป ณ จุดนั้นกระบวนการรวมจะหยุด หรือควร

แต่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์รู้ว่าหลุมดำรวมกันเพราะพวกเขาเห็นคลื่นความโน้มถ่วงที่มีประสิทธิภาพ ในความเป็นจริง LIGO (Laser Interferometry Graferational-Wave Observatory) กำลังค้นพบการรวมตัวของหลุมดำสัปดาห์ละครั้ง วิธีที่พวกเขารวมกันในตอนท้ายเรียกว่าปัญหาพาร์เซกขั้นสุดท้าย

ทีมที่อยู่เบื้องหลังการศึกษานี้คิดว่าพวกเขาอาจมีคำตอบ พวกเขาคิดว่าหลุมดำที่สามเหมือนที่สังเกตไว้ในระบบนี้สามารถให้การสนับสนุนที่จำเป็นเพื่อให้ได้สองหลุมเพื่อรวม เมื่อหลุมดำคู่หนึ่งในระบบ trinary เข้าหากันหลุมที่สามอาจมีอิทธิพลต่อพวกเขาเพื่อปิดพาร์เซกและผสานขั้นสุดท้าย

จากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์หลุมดำมวลมหาศาลประมาณ 16% ของกาแลคซีที่ปะทะกันนั้นจะมีปฏิสัมพันธ์กับหลุมดำมวลมหาศาลที่สามก่อนที่พวกมันจะรวมกัน การควบรวมเหล่านั้นจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วง แต่ปัญหาคือคลื่นเหล่านั้นจะมีความถี่ต่ำเกินไปสำหรับ LIGO หรือหอสังเกตการณ์ VIRGO ในการตรวจจับ

ในการตรวจจับสิ่งเหล่านี้นักวิทยาศาสตร์อาจต้องพึ่งพาหอสังเกตการณ์ในอนาคตเช่น LISA, เสาอากาศเลเซอร์อวกาศของ ESA / NASA LISA จะสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำกว่า LIGO หรือ VIRGO และติดตั้งได้ดีกว่าเพื่อหาหลุมดำมวลมหาศาลที่รวมตัวกัน

กระดาษที่นำเสนอผลลัพธ์เหล่านี้มีชื่อว่า“ Triple AGN ในการควบรวมกิจการในช่วงปลายกลางที่เลือก Galaxy Galaxy”

มากกว่า:

• ข่าวประชาสัมพันธ์: พบ: สามหลุมดำในหลักสูตรการชนกันของข้อมูล
• รายงานการวิจัย: AGN สามเท่าในการควบรวมกิจการ Galaxy Late Stage ที่ได้รับการคัดเลือก
• Wikipedia: ปัญหา Parsec ขั้นสุดท้าย
• LISA: เสาอากาศเลเซอร์อวกาศ Interferometer