اكتشف علماء الفلك ثلاثة ثقوب سوداء فائقة الكتلة (SMBHs) في مركز ثلاث مجرات متصادمة على بعد مليار سنة ضوئية من الأرض. هذا وحده غير معتاد ، لكن الثقوب السوداء الثلاثة تتوهج أيضًا في انبعاثات الأشعة السينية. هذا دليل على أن الثلاثة هي أيضًا نوى مجرية نشطة (AGN ،) تلتهم المواد وتشتعل بشكل ساطع.
قد يلقي هذا الاكتشاف بعض الضوء على ' مشكلة فرسخ النهائي ، قضية طويلة الأمد في الفيزياء الفلكية واندماجات الثقوب السوداء.
وجد علماء الفلك الثلاثة SMBHs في البيانات من تلسكوبات متعددة ، بما في ذلك Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ، ومرصد Chandra X-ray ، ومستكشف مسح الأشعة تحت الحمراء واسع النطاق (WISE). حدث ملحمي لا يمكن تصوره ؛ اندماج ثلاث مجرات. قد تلعب عمليات الاندماج الثلاثية هذه دورًا مهمًا في كيفية نمو أكبر الثقوب السوداء بمرور الوقت.
'هذا هو أقوى دليل تم العثور عليه حتى الآن لمثل هذا النظام الثلاثي للتغذية النشطة للثقوب السوداء فائقة الكتلة.'
رايان فايفل ، جامعة جورج ميسون ، المؤلف الرئيسي.
علماء الفلك الذين وجدوا أنه لم يتوقعوا العثور على ثلاثة ثقوب سوداء في وسط اندماج ثلاثي المجرات.
قال رايان فايفل Ryan Pfeifle من جامعة جورج ميسون في فيرفاكس ، فيرجينيا ، وهو أول مؤلف لبحث جديد في مجلة الفيزياء الفلكية واصفا هذه النتائج. 'هذا هو أقوى دليل تم العثور عليه حتى الآن لمثل هذا النظام الثلاثي للتغذية النشطة للثقوب السوداء فائقة الكتلة.'
يصعب اكتشاف أنظمة الثقوب السوداء الثلاثية نظرًا لوجود الكثير مما يحدث في جوارها. يكتنفها الغاز والغبار مما يجعل من الصعب رؤيتها. في هذه الدراسة ، استغرق الأمر عدة تلسكوبات تعمل في أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي للكشف عن الثقوب الثلاثة. كما تطلب الأمر عمل بعض العلماء المواطنين.
ليس من الصعب اكتشافها فحسب ، بل إنها نادرة. قال المؤلف المشارك Shobita Satyapal ، وهو أيضًا لجورج ماسون ، 'الثقوب السوداء المزدوجة والثلاثية نادرة للغاية ، لكن هذه الأنظمة هي في الواقع نتيجة طبيعية لدمج المجرات ، وهو ما نعتقد أنه كيفية نمو المجرات وتطورها'.
الصورة الرئيسية هي صورة أرشيفية تلسكوب هابل الفضائي. الزاوية اليمنى العليا هي صورة من بيانات مرصد Chandra X-ray. الصورة اليسرى السفلية هي صورة مسح سلون الرقمي للسماء ذات دقة أقل. حقوق الصورة: Hubble / Chandra / SDSS / Pfeifle et. آل. ، 2019.
كان SDSS هو أول من اكتشف هذا الاندماج الثلاثي في الضوء المرئي ، لكنه كان فقط من خلال حديقة حيوان المجرة ، وهو مشروع علمي للمواطنين ، تم تحديده على أنه نظام تصادم المجرات. ثم رأى WISE أن النظام كان يتوهج في الأشعة تحت الحمراء ، مما يشير إلى أنه كان في مرحلة اندماج المجرات عندما كان من المتوقع أن يتغذى أكثر من ثقب أسود.
كانت بيانات سلون وايز مجرد أدلة محيرة ، واتجه علماء الفلك إلى مرصد تشاندرا والتلسكوب ذو العينين الكبير (LBT) لمزيد من التأكيد. أظهرت ملاحظات شاندرا وجود مصادر ساطعة للأشعة السينية في وسط كل مجرة. هذا هو بالضبط المكان الذي يتوقع العلماء العثور فيه على SMBHs.
المزيد من الأدلة التي تظهر أن SMBHs كانت هناك وصلت من تشاندرا ووكالة ناسا مجموعة التلسكوب الطيفي النووي (نوستار) الساتل. وجدوا أدلة على وجود كميات كبيرة من الغاز والغبار بالقرب من أحد الثقوب السوداء. هذا متوقع عندما تندمج الثقوب السوداء. قدمت بيانات ضوئية أخرى من SDSS و LBT أدلة طيفية مميزة لتغذية SMBHs الثلاثة.
رسم توضيحي للفنان لمرصد شاندرا للأشعة السينية. تشاندرا هو أكثر تلسكوبات الأشعة السينية حساسية على الإطلاق ، ولعب دورًا كبيرًا في هذا الاكتشاف. الائتمان: NASA / CXC / NGST
قالت المؤلفة المشاركة كريستينا مانزانو كينغ من جامعة كاليفورنيا ، ريفرسايد: 'تحتوي الأطياف الضوئية على ثروة من المعلومات حول المجرة'. 'يتم استخدامها بشكل شائع لتحديد الثقوب السوداء الهائلة المتراكمة بنشاط ويمكن أن تعكس تأثيرها على المجرات التي تعيش فيها.'
من خلال هذا العمل ، طور فريق علماء الفلك طريقة للعثور على المزيد من أنظمة الثقوب السوداء الثلاثية. 'من خلال استخدام هذه المراصد الرئيسية ، حددنا طريقة جديدة لتحديد الثقوب السوداء الثلاثية فائقة الكتلة. قال فايفل: 'كل تلسكوب يعطينا فكرة مختلفة عما يحدث في هذه الأنظمة'. 'نأمل في توسيع نطاق عملنا للعثور على المزيد من التضاعفات الثلاثية باستخدام نفس التقنية.'
قد يكونون قد ألقوا بعض الضوء أيضًا على مشكلة الفرسخ الأخيرة.
مشكلة فرسخ النهائي
تعتبر مشكلة الفرسخ الأخيرة أساسية في فهمنا لعمليات اندماج الثقوب السوداء الثنائية. إنها مشكلة نظرية تقول أنه عندما يقترب ثقبان أسودان من بعضهما البعض ، فإن طاقتهما المدارية المفرطة تمنعهما من الاندماج. يمكنهم الوصول في غضون بضع سنوات ضوئية ، ثم تتوقف عملية الدمج.
عندما يقترب ثقبان أسودان من بعضهما البعض في البداية ، فإن مساراتهما القطعية تحملهما بعيدًا عن بعضهما البعض. بمرور الوقت ، عندما يتفاعل الثقبان مع النجوم في جوارهما ، فإنهما يقذفان النجوم بجاذبية ، وينقلون بعض طاقتهم المدارية إلى نجم في كل مرة يفعلون ذلك. كما يقلل انبعاث موجات الجاذبية من طاقة الثقوب السوداء.
في نهاية المطاف ، ألقى الثقبان الأسودان طاقة مدارية كافية لإبطاء والاقتراب من بعضهما البعض عن كثب ، والوصول إلى مسافة بضع فرسخ من بعضهما البعض. تكمن المشكلة في أنها عندما تقترب من المسافة ، يتم إخراج المزيد والمزيد من المواد من جوارها عن طريق القاذفة. وهذا يعني أنه لم يعد هناك أي أهمية لتفاعل الثقوب السوداء مع المزيد من الطاقة المدارية وإطلاقها. في هذه المرحلة ، تتوقف عملية الدمج. أو ينبغي.
ومع ذلك ، يعرف علماء الفيزياء الفلكية أن الثقوب السوداء تندمج لأنهم شهدوا موجات الجاذبية القوية. حقيقة، ليغو يكتشف (مرصد قياس التداخل بالليزر للموجات الثقالية) اندماج ثقب أسود حوله مرة في الأسبوع . تسمى كيفية اندماجهم مع بعضهم البعض في النهاية مشكلة الفرسخ النهائية.
يعتقد الفريق الذي يقف وراء هذه الدراسة أنه قد يكون لديهم إجابة. يعتقدون أن ثقبًا أسودًا ثالثًا ، كما لوحظ في هذا النظام ، يمكن أن يوفر الدفعة اللازمة لدمج ثقبين. عندما يقترب زوج من الثقوب السوداء في نظام ثلاثي من بعضهما البعض ، يمكن أن يؤثر الثقب الثالث عليهما لإغلاق الفرسخ النهائي والاندماج.
وفقًا لعمليات المحاكاة الحاسوبية ، فإن حوالي 16٪ من أزواج الثقوب السوداء الهائلة في المجرات المتصادمة سوف تتفاعل مع ثقب أسود ثالث فائق الكتلة قبل أن تندمج. ستنتج عمليات الاندماج هذه موجات ثقالية ، لكن المشكلة تكمن في أن هذه الموجات ستكون ذات تردد منخفض جدًا بالنسبة إلى LIGO أو برج العذراء مرصد للكشف.
طيف موجات الجاذبية والأدوات التي ترصدها. LISA هو مقياس تداخل فضائي ويمكنه اكتشاف الأشياء التي لا يستطيع LIGO القيام بها. حقوق الصورة: ESA / NASA / LISA
لاكتشاف ذلك ، قد يتعين على العلماء الاعتماد على المراصد المستقبلية مثل LISA و ESA / NASA هوائي الفضاء مقياس التداخل بالليزر . سوف ترصد LISA موجات الجاذبية ذات التردد المنخفض من LIGO أو VIRGO وهي مجهزة بشكل أفضل للعثور على ثقوب سوداء فائقة الكتلة مندمجة.
الورقة التي تقدم هذه النتائج بعنوان ' نواة مجرية ثلاثية في عملية اندماج مجرة في المرحلة المتأخرة من تحديد منتصف الأشعة تحت الحمراء . '