Bu sanatçının konsepti, PKS 2131-021 adlı bir kuasarın kalbinde iki aday süper kütleli kara delik gösteriyor. Sistemin bu görüntüsünde, ön plandaki kara delikten (sağda) gelen yerçekimi, güçlü bir jete sahip olan yoldaşının ışığını bükerek ve bozarak görülebilir. Her bir kara delik, güneşimizin kütlesinin yaklaşık yüz milyon katıdır ve ön plandaki kara delik biraz daha az kütlelidir. Kredi: Caltech/R. Yaralanma (IPAC)
Gökbilimciler en sıkı örülmüş süper kütle için kanıt buluyor[{” attribute=””>black hole duo observed to date.
Locked in an epic cosmic waltz 9 billion light years away, two supermassive black holes appear to be orbiting around each other every two years. The two giant bodies each have masses that are hundreds of millions of times larger than that of our sun, and the objects are separated by a distance roughly 50 times that which separates our sun and Pluto. When the pair merge in roughly 10,000 years, the titanic collision is expected to shake space and time itself, sending gravitational waves across the universe.
A Caltech-led team of astronomers has discovered evidence for this scenario taking place within a fiercely energetic object known as a quasar. Quasars are active cores of galaxies in which a supermassive black hole is siphoning material from a disk encircling it. In some quasars, the supermassive black hole creates a jet that shoots out at near the speed of light. The quasar observed in the new study, PKS 2131-021, belongs to a subclass of quasars called blazars in which the jet is pointing toward the Earth. Astronomers already knew quasars could possess two orbiting supermassive black holes, but finding direct evidence for this has proved difficult.
Two supermassive black holes are seen orbiting each other in this artist’s loopable animation. The more massive black hole, which is hundreds of millions times the mass of our sun, is shooting out a jet that changes in its apparent brightness as the duo circles each other. Astronomers found evidence for this scenario in a quasar called PKS 2131-021 after analyzing 45-years-worth of radio observations that show the system periodically dimming and brightening. The observed cyclical pattern is thought to be caused by the orbital motion of the jet. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)
Reporting in The Astrophysical Journal Letters, the researchers argue that PKS 2131-021 is now the second known candidate for a pair of supermassive black holes caught in the act of merging. The first candidate pair, within a quasar called OJ 287, orbit each other at greater distances, circling every nine years versus the two years it takes for the PKS 2131-021 pair to complete an orbit.
The telltale evidence came from radio observations of PKS 2131-021 that span 45 years. According to the study, a powerful jet emanating from one of the two black holes within PKS 2131-021 is shifting back and forth due to the pair’s orbital motion. This causes periodic changes in the quasar’s radio-light brightness. Five different observatories registered these oscillations, including Caltech’s Owens Valley Radio Observatory (OVRO), the University of Michigan Radio Astronomy Observatory (UMRAO), MIT’s Haystack Observatory, the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Metsähovi Radio Observatory in Finland, and NASA’s Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) space satellite.
Artist’s animation of a supermassive black hole circled by a spinning disk of gas and dust. The black hole is shooting out a relativistic jet—one that travels at nearly the speed of light. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)
The combination of the radio data yields a nearly perfect sinusoidal light curve unlike anything observed from quasars before.
“When we realized that the peaks and troughs of the light curve detected from recent times matched the peaks and troughs observed between 1975 and 1983, we knew something very special was going on,” says Sandra O’Neill, lead author of the new study and an undergraduate student at Caltech who is mentored by Tony Readhead, Robinson Professor of Astronomy, Emeritus.
Uzay ve Zamandaki Dalgalanmalar
Hepsi olmasa da çoğu galaksinin merkezinde, bizimki de dahil olmak üzere korkunç kara delikler bulunur. Samanyolu gökada. Galaksiler birleştiğinde, kara delikleri yeni oluşan galaksinin ortasına “batar” ve sonunda daha da büyük bir kara delik oluşturmak için birleşir. Kara delikler birbirine doğru spiral çizdikçe, uzay ve zamanın dokusunu giderek daha fazla bozarlar ve ilk olarak Albert Einstein tarafından 100 yıldan fazla bir süre önce tahmin edilen yerçekimi dalgaları gönderirler.
Caltech ve MIT tarafından ortaklaşa yönetilen Ulusal Bilim Vakfı’nın LIGO’su (Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi), güneşimizin kütlesinin düzinelerce katına kadar karadelik çiftlerinden gelen yerçekimi dalgalarını tespit ediyor. Bununla birlikte, galaksilerin merkezlerindeki süper kütleli kara delikler, güneşimizin kütlesinden milyonlarca ila milyarlarca kat daha fazla kütleye sahiptir ve güneş tarafından tespit edilenlerden daha düşük kütleçekimsel dalga frekansları yayar. LİGO.
Kuasar PKS 2131-02’nin 45 yıla yayılan üç radyo gözlem seti burada, Owens Valley Radyo Gözlemevi’nden (OVRO) mavi renkte verilerle çizilmiştir; Michigan Üniversitesi Radyo Astronomik Gözlemevi (UMRAO) kahverengi; ve yeşil renkte Haystack Gözlemevi. Gözlemler, mavi ile gösterilen basit bir sinüs dalgasıyla eşleşiyor. Gökbilimciler, sinüs dalgası modelinin, kuasarın kalbinde iki yılda bir birbirinin etrafında dönen iki süper kütleli kara delikten kaynaklandığına inanıyor. (Evrenin genişlemesinin neden olduğu bir Doppler etkisi nedeniyle aslında beş yıllık bir süre gözlemlendi.) Kara deliklerden biri, periyodik olarak kararan ve parlayan göreli bir jet fırlatıyor. OVRO ve UMRAO verilerinin 2010’daki zirveyle ve UMRAO ve Haystack verilerinin 1981’deki zirveyle eşleştiğine dikkat edin. 1980 civarında gözlemlenen zirvelerin büyüklükleri, muhtemelen daha fazla malzeme nedeniyle son zamanlarda gözlemlenenlerin iki katıdır. kara deliğe doğru düşüyor ve o sırada fırlatılıyordu. Kredi bilgileri: Tony Readhead/Caltech
Gelecekte, pulsar Radyo teleskoplar tarafından hassas bir şekilde izlenen bir dizi titreşen ölü yıldızdan oluşan zamanlama dizileri, bu kütlenin süper kütleli kara deliklerinden gelen yerçekimi dalgalarını tespit edebilmelidir. (Yaklaşan Lazer İnterferometre Uzay Anteni veya LISA görevi, kütleleri güneşimizin kütlesinden 1.000 ila 10 milyon kat daha büyük olan birleşen kara delikleri tespit edecektir.) Şimdiye kadar, bu daha ağır kaynakların hiçbirinden hiçbir yerçekimi dalgası kaydedilmedi, ancak PKS 2131-021 şimdiye kadarki en umut verici hedefi sağlıyor.
Bu arada, ışık dalgaları, birleşen süper kütleli kara delikleri tespit etmek için en iyi seçenektir.
Bu tür ilk aday olan OJ 287 de periyodik radyo ışığı varyasyonları sergiler. Bu dalgalanmalar daha düzensizdir ve sinüzoidal değildir, ancak karadeliklerin her dokuz yılda bir birbirlerinin yörüngesinde döndüğünü düşündürür. Yeni kuasardaki kara delikler, PKS 2131-021, her iki yılda bir birbirlerinin yörüngesinde dönüyorlar ve 2.000 astronomik birim uzaklıkta, güneşimiz ile Plüton arasındaki mesafenin yaklaşık 50 katı veya OJ 287’deki çiftten 10 ila 100 kat daha yakın. (Astronomik bir birim, Dünya ile güneş arasındaki mesafedir.)
Sandra O’Neill. Kredi bilgileri: Caltech
45 Yıllık Işık Eğrisini Ortaya Çıkarmak
Readhead, keşiflerin 2008’de kendisinin ve meslektaşlarının OVRO’daki 40 metrelik teleskopu kullanarak karadeliklerin “besledikleri” materyali göreli jetlere veya hızla hareket eden jetlere nasıl dönüştürdüklerini incelemek için kullanmaya başladıklarında başlayan “iyi bir dedektif romanı” gibi ortaya çıktığını söylüyor. ışığın yüzde 99,98’ine kadar. Bu amaçla 1000’den fazla blazarın parlaklığını izliyorlardı, 2020’de benzersiz bir durum fark ettiler.
Readhead, “PKS 2131 yalnızca periyodik olarak değil, sinüsoidal olarak da değişiyordu” diyor. “Bu, zaman içinde sürekli olarak izleyebileceğimiz bir model olduğu anlamına geliyor.” Soru, diyor ki, bu sinüs dalgası modeli ne kadar süredir devam ediyor?
Araştırma ekibi daha sonra, daha yeni OVRO gözlemlerine dayalı tahminlerle eşleşen ışık eğrilerinde geçmişteki tepe noktaları aramak için arşiv radyo verilerini inceledi. İlk olarak, NRAO’nun Çok Uzun Temel Dizisi ve UMRAO’dan alınan veriler, 2005’ten tahminlerle eşleşen bir zirve ortaya çıkardı. UMRAO verileri ayrıca, o zamandan 20 yıl önce – başka bir tahmin edilen tepe noktasının gözlemlendiği 1981 yılına kadar – hiç sinüzoidal sinyal olmadığını gösterdi.
Readhead, “Hikaye orada duracaktı, çünkü 1980’den önce bu nesne hakkında veri olduğunu fark etmemiştik” diyor. “Ama sonra Sandra bu projeyi 2021 Haziran’ında aldı. O olmasaydı, bu güzel bulgu rafta oturuyor olacaktı.”
O’Neill, Caltech’in Yaz Lisans Araştırma Bursu (SURF) programının bir parçası olarak Readhead ve çalışmanın ikinci yazarı, Girit Üniversitesi’nde doktora sonrası doktora ve Caltech’te eski personel bilimcisi olan Sebastian Kiehlmann ile çalışmaya başladı. O’Neill üniversiteye kimya uzmanı olarak başladı ancak astronomi projesini pandemi sırasında aktif kalmak istediği için aldı. “Bu konuda üzerinde çalıştığım her şeyden çok daha heyecanlı olduğumu fark ettim” diyor.
Proje yeniden masaya yatırıldığında Readhead literatürü araştırdı ve Haystack Gözlemevi’nin 1975 ve 1983 yılları arasında PKS 2131-021’in radyo gözlemlerini yaptığını buldu. Bu veriler onların tahminlerine uyan başka bir zirveyi ortaya çıkardı, bu sefer 1976’da gerçekleşti.
Caltech’te Teorik Astrofizik alanında Moore Distinguished Scholar ve şu anda Stanford Üniversitesi’nden izinli olan ortak yazar Roger Blandford, “Bu çalışma, keşif bilimi gerçekleştirmek için uzun yıllar boyunca bu kaynakların doğru bir şekilde izlenmesinin değerini gösteriyor” diyor.
Tony Readhead’in fotoğrafı. Kredi bilgileri: Caltech
Saat gibi
Readhead, ileri geri hareket eden jet sistemini, sinüs dalgasının her döngüsünün veya periyodunun karadeliklerin iki yıllık yörüngesine karşılık geldiği (gözlenen döngü aslında ışık nedeniyle beş yıl olmasına rağmen) bir tıkırtı saatiyle karşılaştırır. evrenin genişlemesiyle gerilir). Bu tıklama ilk olarak 1976’da görüldü ve sekiz yıl devam etti ve muhtemelen kara deliğin yakıtındaki değişikliklerden dolayı 20 yıl boyunca ortadan kayboldu. İşler artık 17 yıldır geri döndü.
“Saat işlemeye devam etti” diyor, “Bu 20 yıllık boşluktaki dönemin kararlılığı, bu blazarın tek bir süper kütleli kara deliği değil, birbirinin yörüngesinde dönen iki süper kütleli kara deliği barındırdığını kuvvetle gösteriyor.”
Sinüzoidal varyasyonların altında yatan fizik ilk başta bir gizemdi, ancak Blandford, varyasyonların sinüzoidal şeklini açıklamak için basit ve zarif bir model buldu.
Readhead, “Bu güzel sinüs dalgasının bize sistem hakkında önemli bir şey söylemesi gerektiğini biliyorduk” diyor. “Roger’ın modeli bize bunu yapanın basitçe yörünge hareketi olduğunu gösteriyor. Roger bunu çözmeden önce, göreli jetli bir ikili sistemin böyle görünen bir ışık eğrisine sahip olacağını kimse anlamamıştı.”
Kiehlmann şöyle diyor: “Çalışmamız gelecekte bu tür blazar ikili dosyalarının nasıl aranacağına dair bir plan sunuyor.”
Referans: “The Unexpected Phenomenology of the Blazar PKS 2131-021: A Unique Supermassive Black Hole Binary Candidate” yazan S. O’Neill, S. Kiehlmann, ACS Readhead, MF Aller, RD Blandford, I. Liodakis, ML Lister, P Mróz, CP O’Dea, TJ Pearson, V. Ravi, M. Vallisneri, KA Cleary, MJ Graham, KJB Grainge, MW Hodges, T. Hovatta, A. Lähteenmäki, JW Lamb, TJW Lazio, W. Max-Moerbeck , V. Pavlidou, TA Prince, RA Reeves, M. Tornikoski, P. Vergara de la Parra ve JA Zensus, 23 Şubat 2022, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac504b
Astrofizik Dergi Mektupları “Blazar PKS 2131-021’in Beklenmeyen Fenomenolojisi: Eşsiz Bir Süper Kütleli Karadelik İkili Adayı” başlıklı çalışma Caltech, Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü, NASA, Ulusal Bilim Vakfı (NSF), Finlandiya Akademisi tarafından finanse edildi. , Avrupa Araştırma Konseyi, ANID-FONDECYT (Şili’de Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo-Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico), Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Konseyi, Araştırma ve Teknoloji Vakfı – Yunanistan’da Hellas, Hellenic Yunanistan’da Araştırma ve Yenilik Vakfı ve Michigan Üniversitesi. Diğer Caltech yazarları arasında Tim Pearson, Vikram Ravi, Kieran Cleary, Matthew Graham ve Tom Prince sayılabilir. NASA için Caltech tarafından yönetilen Jet Propulsion Laboratory’den diğer yazarlar arasında Michele Vallisneri ve Joseph Lazio yer alıyor.