Do supermassive black holes have friends? The nature of galaxy formation suggests that the answer is yes, and in fact, pairs of supermassive black holes should be common in the universe.
I am an astrophysicist and am interested in a wide range of theoretical problems in astrophysics, from the formation of the very first galaxies to the gravitational interactions of black holes, stars and even planets. Black holes are intriguing systems, and supermassive black holes and the dense stellar environments that surround them represent one of the most extreme places in our universe.
The supermassive black hole that lurks at the center of our galaxy, called Sgr A*, has a mass of about 4 million times that of our Sun. A black hole is a place in space where gravity is so strong that neither particles or light can escape from it. Surrounding Sgr A* is a dense cluster of stars. Precise measurements of the orbits of these stars allowed astronomers to confirm the existence of this supermassive black hole and to measure its mass. For more than 20 years, scientists have been monitoring the orbits of these stars around the supermassive black hole. Based on what we’ve seen, my colleagues and I show that if there is a friend there, it might be a second black hole nearby that is at least 100,000 times the mass of the Sun.
Supermassive black holes and their friends
Almost every galaxy, including our Milky Way, has a supermassive black hole at its heart, with masses of millions to billions of times the mass of the Sun. Astronomers are still studying why the heart of galaxies often hosts a supermassive black hole. One popular idea connects to the possibility that supermassive holes have friends.
To understand this idea, we need to go back to when the universe was about 100 million years old, to the era of the very first galaxies. They were much smaller than today’s galaxies, about 10,000 or more times less massive than the Milky Way. Within these early galaxies the very first stars that died created black holes, of about tens to thousand the mass of the Sun. These black holes sank to the center of gravity, the heart of their host galaxy. Since galaxies evolve by merging and colliding with one another, collisions between galaxies will result in supermassive black hole pairs – the key part of this story. The black holes then collide and grow in size as well. A black hole that is more than a million times the mass of our son is considered supermassive.
If indeed the supermassive black hole has a friend revolving around it in close orbit, the center of the galaxy is locked in a complex dance. The partners’ gravitational tugs will also exert its own pull on the nearby stars disturbing their orbits. The two supermassive black holes are orbiting each other, and at the same time, each is exerting its own pull on the stars around it.
The gravitational forces from the black holes pull on these stars and make them change their orbit; in other words, after one revolution around the supermassive black hole pair, a star will not go exactly back to the point at which it began.
Using our understanding of the gravitational interaction between the possible supermassive black hole pair and the surrounding stars, astronomers can predict what will happen to stars. Astrophysicists like my colleagues and me can compare our predictions to observations, and then can determine the possible orbits of stars and figure out whether the supermassive black hole has a companion that is exerting gravitational influence.
Using a well-studied star, called S0-2, which orbits the supermassive black hole that lies at the center of the galaxy every 16 years, we can already rule out the idea that there is a second supermassive black hole with mass above 100,000 times the mass of the Sun and farther than about 200 times the distance between the Sun and the Earth. If there was such a companion, then I and my colleagues would have detected its effects on the orbit of SO-2.
But that doesn’t mean that a smaller companion black hole cannot still hide there. Such an object may not alter the orbit of SO-2 in a way we can easily measure.
The physics of supermassive black holes
Supermassive black holes have gotten a lot of attention lately. In particular, the recent image of such a giant at the center of the galaxy M87 opened a new window to understanding the physics behind black holes.
The proximity of the Milky Way’s galactic center – a mere 24,000 light-years away – provides a unique laboratory for addressing issues in the fundamental physics of supermassive black holes. For example, astrophysicists like myself would like to understand their impact on the central regions of galaxies and their role in galaxy formation and evolution. The detection of a pair of supermassive black holes in the galactic center would indicate that the Milky Way merged with another, possibly small, galaxy at some time in the past.
That’s not all that monitoring the surrounding stars can tell us. Measurements of the star S0-2 allowed scientists to carry out a unique test of Einstein’s general theory of relativity. In May 2018, S0-2 zoomed past the supermassive black hole at a distance of only about 130 times the Earth’s distance from the Sun. According to Einstein’s theory, the wavelength of light emitted by the star should stretch as it climbs from the deep gravitational well of the supermassive black hole.
The stretching wavelength that Einstein predicted – which makes the star appear redder – was detected and proves that the theory of general relativity accurately describes the physics in this extreme gravitational zone. I am eagerly awaiting the second closest approach of S0-2, which will occur in about 16 years, because astrophysicists like myself will be able to test more of Einstein’s predictions about general relativity, including the change of the orientation of the stars’ elongated orbit. But if the supermassive black hole has a partner, this could alter the expected result.
Finally, if there are two massive black holes orbiting each other at the galactic center, as my team suggests is possible, they will emit gravitational waves. Since 2015, the LIGO-Virgo observatories have been detecting gravitational wave radiation from merging stellar-mass black holes and neutron stars. These groundbreaking detections have opened a new way for scientists to sense the universe.
Any waves emitted by our hypothetical black hole pair will be at low frequencies, too low for the LIGO-Virgo detectors to sense. But a planned space-based detector known as LISA may be able to detect these waves which will help astrophysicists figure out whether our galactic center black hole is alone or has a partner.
Studierea stelelor care orbitează nucleul galaxiei noastre sugerează că gaura neagră de 4 milioane de mase solare, Sagittarius A*, ar putea avea un alt însoțitor supermasiv care se află în apropiere.
Gurile negre supermasive au prieteni? Natura formării galaxiei sugerează că răspunsul este da și, de fapt, perechile de găuri negre supermasive ar trebui să fie comune în univers.
Sunt astrofizician și mă interesează o gamă largă de probleme teoretice în astrofizică, de la formarea primelor galaxii până la interacțiunile gravitaționale ale găurilor negre, stelelor și chiar ale planetelor. Găurile negre sunt sisteme intrigante, iar găurile negre supermasive și mediile stelare dense care le înconjoară reprezintă unul dintre cele mai extreme locuri din universul nostru.
Gaura neagră supermasivă care se află în centrul galaxiei noastre, numită Sgr A *, are o masă de aproximativ 4 milioane de ori mai mare decât cea a Soarelui nostru. O gaură neagră este un loc în spațiu în care gravitația este atât de puternică încât nici particulele și nici lumina nu pot scăpa de la ea. În jurul lui Sgr A * este un grup dens de stele. Măsurările precise ale orbitelor acestor stele au permis astronomilor să confirme existența acestei găuri negre supermasive și să-i măsoare masa. De mai bine de 20 de ani, oamenii de știință monitorizează orbitele acestor stele în jurul găurii negre supermasive. Pe baza a ceea ce am văzut, colegii mei și eu arătăm că, dacă există un prieten acolo, ar putea fi o a doua gaură neagră în apropiere, care este de cel puțin 100.000 de ori mai mare decât Soarele.
Găuri negre supermasive și prietenii lor
Aproape fiecare galaxie, inclusiv Calea noastră Lactee, are o gaură neagră super-masivă în inima ei, cu mase de milioane până la miliarde de ori masa Soarelui. Astronomii încă studiază de ce inima galaxiilor găzduiește adesea o gaură neagră supermasivă. O idee populară se conectează la posibilitatea ca găurile supermasive să aibă prieteni.
Pentru a înțelege această idee, trebuie să ne întoarcem la vremea când universul avea aproximativ 100 de milioane de ani, până în epoca chiar a primelor galaxii. Erau mult mai mici decât galaxiile de astăzi, de aproximativ 10.000 de ori sau mai puțin masive decât Calea Lactee. În aceste galaxii timpurii, primele stele care au murit au creat găuri negre, de aproximativ zeci până la mii, masa Soarelui. Aceste găuri negre s-au scufundat în centrul gravitației, inima galaxiei lor gazdă. De vreme ce galaxiile evoluează prin fuziune și coliziune între ele, coliziunile dintre galaxii vor avea ca rezultat perechi de găuri negre supermasive – partea cheie a acestei povești. Gurile negre apoi se ciocnesc și cresc și în dimensiuni. O gaură neagră care este de peste un milion de ori masa soarelui nostru este considerată supermasivă.
Dacă într-adevăr, gaura neagră supermasivă are un prieten care se învârte în jurul orbitei sale, centrul galaxiei este prins într-un dans complex. Remorcările gravitaționale ale partenerilor își vor exercita, de asemenea, propriile atracții asupra stelelor din apropiere, perturbând orbitele lor. Cele două găuri negre supermasive orbitează una în jurul celeilalte și, în același timp, fiecare își exercită propria atracție asupra stelelor din jurul său.
Forțele gravitaționale din găurile negre trag de aceste stele și le fac să își schimbe orbita; cu alte cuvinte, după o revoluție în jurul perechii de găuri negre supermasive, o stea nu se va întoarce exact în punctul de la început.
Folosind înțelegerea noastră despre interacțiunea gravitațională dintre posibila pereche de găuri negre supermasive și stelele înconjurătoare, astronomii pot prezice ce se va întâmpla cu stelele. Astrofizicienii ca și colegii mei pot compara predicțiile noastre cu observațiile și apoi pot determina orbitele posibile ale stelelor și să-și dea seama dacă gaura neagră supermasivă are un însoțitor care exercită influență gravitațională.
Folosind o stea bine studiată, numită S0-2, care orbitează gaura neagră supermasivă care se află în centrul galaxiei la fiecare 16 ani, putem deja să excludem ideea că există o a doua gaură neagră supermasivă cu masa de peste 100.000 de ori masa Soarelui și mai departe de aproximativ 200 de ori distanța dintre Soare și Pământ. Dacă ar exista un astfel de însoțitor, atunci eu și colegii mei am fi detectat efectele sale pe orbita SO-2.
Dar asta nu înseamnă că o gaură neagră de companie mai mică nu poate încă să se ascundă acolo. Un astfel de obiect nu poate modifica orbita SO-2 într-un mod pe care îl putem măsura cu ușurință.
Fizica găurilor negre supermasive
Găurile negre au atras atenția în ultima perioadă. În special, imaginea recentă a unui astfel de gigant din centrul galaxiei M87 a deschis o nouă fereastră pentru înțelegerea fizicii din spatele găurilor negre.
Apropierea centrului galactic al Căii Lactee – la doar 24.000 de ani lumină – oferă un laborator unic pentru abordarea problemelor din fizica fundamentală a găurilor negre supermasive. De exemplu, astrofizicienii ca mine ar dori să înțeleagă impactul lor asupra regiunilor centrale ale galaxiilor și rolul lor în formarea și evoluția galaxiilor. Detectarea unei perechi de găuri negre supermasive în centrul galactic ar indica faptul că Calea Lactee a fuzionat cu o altă galaxie, posibil mică, la un moment dat în trecut.
Aceasta nu este tot ceea ce ne poate spune monitorizarea stelelor înconjurătoare. Măsurătorile stelei S0-2 au permis oamenilor de știință să efectueze un test unic al teoriei generale a relativității lui Einstein. În mai 2018, S0-2 s-a apropiat de gaura neagră super-masivă la o distanță de doar 130 de ori distanța Pământului față de Soare. Conform teoriei lui Einstein, lungimea de undă a luminii emise de stea ar trebui să se întindă pe măsură ce urcă din puțul gravitațional adânc al găurii negre supermasive.
Lungimea de undă întinsă pe care a prezis-o Einstein – care face ca steaua să pară mai roșie – a fost detectată și dovedește că teoria relativității generale descrie cu exactitate fizica din această zonă gravitațională extremă. Aștept cu nerăbdare cea de-a doua abordare cea mai apropiată a S0-2, care va apărea în aproximativ 16 ani, deoarece astrofizicienii ca mine vor putea testa mai multe dintre predicțiile lui Einstein despre relativitatea generală, inclusiv schimbarea orientării orbitei alungite a stelelor. Dar dacă gaura neagră supermasivă are un partener, acest lucru ar putea modifica rezultatul scontat.
În cele din urmă, dacă există două găuri negre masive care orbitează reciproc centrul galactic, așa cum sugerează echipa mea că este posibil, acestea vor emite valuri gravitaționale. Începând cu 2015, observatoarele LIGO-Fecioară detectează radiații de unde gravitaționale din fuzionarea găurilor negre cu masa stelară și a stelelor neutronice. Aceste descoperiri inovatoare au deschis o nouă cale pentru oamenii de știință de a înțelege universul.
Orice valuri emise de ipotetica noastră pereche de găuri negre vor fi la frecvențe joase, prea mici pentru a fi detectate de detectoarele LIGO-Fecioară. Dar un detector planificat bazat pe spațiu, cunoscut sub numele de LISA, poate fi capabil să detecteze aceste unde ceea ce îi va ajuta pe astrofizicieni să-și dea seama dacă gaura noastră neagră din centrul galactic este singură sau are un partener.
Mihail stories 