Galaksinin kalbinde dansa kilitlenen devasa kara delikler

9 milyar ışıkyılı uzaklıktaki destansı bir kozmik vals içinde kilitli olan iki süper kütleli kara delik, her iki yılda bir birbirlerinin etrafında dönüyor gibi görünüyor. İki dev cismin her biri güneşimizinkinden yüz milyonlarca kat daha büyük kütlelere sahiptir ve nesneler, güneşimiz ile Plüton’u ayıranın kabaca 50 katı bir mesafeyle ayrılır. İkili yaklaşık 10.000 yıl içinde birleştiğinde, devasa çarpışmanın uzayı ve zamanı sallaması ve evren boyunca yerçekimi dalgaları göndermesi bekleniyor.

Caltech liderliğindeki bir gökbilimciler ekibi, kuasar olarak bilinen son derece enerjik bir nesnede bu senaryonun gerçekleştiğine dair kanıtlar keşfetti. Kuasarlar, süper kütleli bir kara deliğin kendisini çevreleyen bir diskten malzeme çektiği aktif gökada çekirdekleridir. Bazı kuasarlarda, süper kütleli kara delik, ışık hızına yakın bir hızda fışkıran bir jet oluşturur. Yeni çalışmada gözlemlenen kuasar, PKS 2131-021, jetin Dünya’yı işaret ettiği, blazar adı verilen kuasarların bir alt sınıfına aittir. Gökbilimciler, kuasarların yörüngede dönen iki süper kütleli karadeliğe sahip olabileceğini zaten biliyorlardı, ancak bunun için doğrudan kanıt bulmak zor oldu.

Raporlama Astrofizik Dergi Mektupları, araştırmacılar, PKS 2131-021’in şimdi birleşme eyleminde yakalanan bir çift süper kütleli kara delik için bilinen ikinci aday olduğunu savunuyorlar. OJ 287 adlı bir kuasar içindeki ilk aday çift, PKS 2131-021 çiftinin bir yörüngeyi tamamlaması için geçen iki yıla karşı her dokuz yılda bir daire çizerek birbirlerinin yörüngesinde daha büyük mesafelerde dönüyor.

Açıklayıcı kanıtlar, PKS 2131-021’in 45 yıllık radyo gözlemlerinden geldi. Araştırmaya göre, PKS 2131-021 içindeki iki kara delikten birinden çıkan güçlü bir jet, çiftin yörünge hareketi nedeniyle ileri geri hareket ediyor. Bu, kuasarın radyo ışığı parlaklığında periyodik değişikliklere neden olur. Caltech’in Owens Valley Radyo Gözlemevi (OVRO), Michigan Üniversitesi Radyo Astronomi Gözlemevi (UMRAO), MIT’nin Haystack Gözlemevi, Ulusal Radyo Astronomi Gözlemevi (NRAO), Finlandiya’daki Metsähovi Radyo Gözlemevi ve NASA’nın Geniş Radyo Gözlemevi dahil olmak üzere beş farklı gözlemevi bu salınımları kaydetti. -alan Kızılötesi Araştırma Gezgini (WISE) uzay uydusu.

Radyo verilerinin kombinasyonu, daha önce kuasarlardan gözlemlenen hiçbir şeye benzemeyen, neredeyse mükemmel bir sinüzoidal ışık eğrisi verir.

Yeni çalışmanın baş yazarı Sandra O’Neill, “Son zamanlarda tespit edilen ışık eğrisinin tepe ve çukurlarının 1975 ve 1983 yılları arasında gözlemlenen tepe ve çukurlarla eşleştiğini fark ettiğimizde, çok özel bir şeyin olduğunu biliyorduk” diyor. ve Caltech’te bir lisans öğrencisi olan ve Tony Readhead, Robinson Astronomi Profesörü Fahri tarafından yönetilmektedir.

Uzay ve Zamandaki Dalgalanmalar

Hepsi olmasa da, galaksilerin çoğu, kendi Samanyolu galaksimiz de dahil olmak üzere, çekirdeklerinde canavarca kara deliklere sahiptir. 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, güneşimizden milyonlarca ila milyarlarca kat daha fazla kütleye sahiptir ve LIGO tarafından tespit edilenlerden daha düşük kütleçekimsel dalga frekansları yayar.

Gelecekte, radyo teleskopları tarafından hassas bir şekilde izlenen bir dizi titreşen ölü yıldızdan oluşan pulsar zamanlama dizileri, bu kütlenin süper kütleli kara deliklerinden gelen yerçekimi dalgalarını tespit edebilecektir. (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.)

45 Yıllık Işık Eğrisini Ortaya Çıkarmak

Readhead, 2008’de kendisinin ve meslektaşlarının OVRO’daki 40 metrelik teleskopu kara deliklerin “besledikleri” materyali göreli jetlere veya hızla hareket eden jetlere nasıl dönüştürdüğünü incelemek için kullanmaya başladıklarında başlayan keşiflerin “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 yılının Haziran ayında 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, bu sefer 1976’da gerçekleşen tahminlerine uyan başka bir zirveyi ortaya çıkardı.

Caltech’te Teorik Astrofizikte Moore Seçkin Akademisyeni ve şu anda Stanford Üniversitesi’nden izinli olan ortak yazar Roger Blandford, “Bu çalışma, keşif bilimini gerçekleştirmek için uzun yıllar boyunca bu kaynakların doğru bir şekilde izlenmesinin değerini gösteriyor” diyor.

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 ve “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, “çalışmalarının gelecekte bu tür blazar ikili dosyalarının nasıl aranacağına dair bir plan sağladığını” söylüyor.