אסטרונומים פותרים את תעלומת הבינארי הבינארי של החור השחור הכבד ביותר ביקום

נתונים מ-Gemini North מספקים הסבר אפשרי לבינארי סופר-מסיבי חור שחורהמיזוג נעצר.

באמצעות נתוני ארכיון מטלסקופ ג'מיני צפון, צוות אסטרונומים מדד את צמד החורים השחורים הסופר-מאסיביים הכבדים ביותר שנמצאו אי פעם. התמזגותם של שני חורים שחורים סופר מסיביים היא תופעה שנחזתה זה מכבר, אם כי מעולם לא נצפתה. הזוג העצום הזה נותן רמזים מדוע אירוע כזה נראה כל כך לא סביר ביקום.

כמעט כל גלקסיה מסיבית מארחת במרכזה חור שחור סופר מסיבי. כאשר שתי גלקסיות מתמזגות, החורים השחורים שלהן יכולים ליצור זוג בינארי, כלומר הם נמצאים במסלול קשור זה עם זה. ההשערה היא שגורל הקבצים הבינאריים האלה להתמזג בסופו של דבר, אבל זה מעולם לא נצפה.⁽¹⁾ השאלה האם אירוע כזה אפשרי הייתה נושא לדיון בקרב אסטרונומים במשך עשרות שנים. במאמר שפורסם לאחרונה ב ה כתב עת אסטרופיזיצוות של אסטרונומים הציג תובנה חדשה לשאלה זו.

באמצעות נתוני ארכיון מטלסקופ ג'מיני צפון, מחצית אחת של מצפה הכוכבים הבינלאומי ג'מיני, המופעל על ידי NSF NOIRLab, צוות של אסטרונומים מדד את צמד החורים השחורים הסופר-מאסיביים הכבדים ביותר שנמצאו אי פעם. התמזגותם של שני חורים שחורים סופר מסיביים היא תופעה שנחזתה זה מכבר, אם כי מעולם לא נצפתה. הזוג העצום הזה נותן רמזים מדוע אירוע כזה נראה כל כך לא סביר ביקום.

תובנות חסרות תקדים מג'מיני צפון

הצוות השתמש בנתונים מטלסקופ ג'מיני צפון בהוואי, מחצית ממצפה הכוכבים הבינלאומי ג'מיני המופעל על ידי NOIRLab של NSF, הממומן על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, כדי לנתח חור שחור סופר-מאסיבי בינארי הממוקם בתוך הגלקסיה האליפטית B2 0402+379. זהו הבינארי הבינארי הסופר-מאסיבי היחיד של חור שחור שנפתר בפירוט מספיק כדי לראות את שני האובייקטים בנפרד,⁽²⁾ והוא מחזיק בשיא של ההפרדה הקטנה ביותר שנמדדה אי פעם ישירות – 24 שנות אור בלבד.⁽³⁾

בעוד שהפרידה ההדוקה הזו מנבאת מיזוג רב עוצמה, מחקר נוסף גילה שהזוג נעצר במרחק זה למעלה משלושה מיליארד שנים, מה שמעלה את השאלה; מה מעכב?

האתגר של מיזוג חור שחור בינארי

כדי להבין טוב יותר את הדינמיקה של מערכת זו ומיזוגה שנבלם, הצוות חיפש נתונים ארכיוניים מהספקטרוגרף הרב-אובייקטים של Gemini North (GMOS), שאיפשר להם לקבוע את מהירות הכוכבים בסביבת החורים השחורים. "הרגישות המצוינת של GMOS אפשרה לנו למפות את המהירויות ההולכות וגדלות של הכוכבים ככל שמתבוננים קרוב יותר למרכז הגלקסיה", אמר רוג'ר רומני, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת סטנפורד ומחבר משותף של המאמר. "עם זה, הצלחנו להסיק את המסה הכוללת של החורים השחורים השוכנים שם."

הצוות מעריך שהמסה הבינארית היא פי 28 מיליארד מזו של השמש, מה שמגדיר את הזוג כחור השחור הבינארי הכבד ביותר שנמדד אי פעם. לא רק שמדידה זו נותנת הקשר רב ערך להיווצרות המערכת הבינארית וההיסטוריה של הגלקסיה המארחת שלה, אלא שהיא תומכת בתיאוריה ארוכת השנים שלפיה המסה של חור שחור בינארי סופר-מאסיבי ממלאת תפקיד מפתח בעצירת מיזוג פוטנציאלי.⁽⁴⁾

"ארכיון הנתונים המשרת את מצפה הכוכבים הבינלאומי של תאומים מכיל מכרה זהב של תגליות מדעיות לא מנוצלות", אומר מרטין סטיל, מנהל תוכנית NSF של מצפה הכוכבים הבינלאומי תאומים. "מדידות המוניות עבור החור השחור הבינארי הסופר-מסיבי הקיצוני הזה הן דוגמה מעוררת כבוד להשפעה הפוטנציאלית של מחקר חדש שחוקר את הארכיון העשיר הזה."

היווצרות ועתידה של המערכת הבינארית

הבנה כיצד נוצר בינארי זה יכול לעזור לחזות אם ומתי הוא יתמזג – וקומץ רמזים מצביעים על היווצרות הזוג באמצעות מיזוגים מרובים של גלקסיות. הראשון הוא ש-B2 0402+379 הוא 'צביר מאובנים', כלומר הוא תוצאה של כוכבים וגז שלם של צביר גלקסיות שמתמזגים לגלקסיה אחת מסיבית. בנוסף, נוכחותם של שני חורים שחורים סופר-מאסיביים, יחד עם המסה המשולבת הגדולה שלהם, מרמזת שהם נבעו מהתמזגות של מספר חורים שחורים קטנים יותר ממספר גלקסיות.

בעקבות מיזוג גלקטי, חורים שחורים סופר מסיביים אינם מתנגשים חזיתית. במקום זאת הם מתחילים לחלוף על פני הקלע אחד על פני השני כשהם מתמקמים במסלול כבול. בכל מעבר שהם עושים, אנרגיה מועברת מהחורים השחורים לכוכבים שמסביב. כשהם מאבדים אנרגיה, הזוג נגרר מטה קרוב יותר ויותר עד שהם רק שנות אור זה מזה, שם קרינת הכבידה משתלטת והם מתמזגים. תהליך זה נצפה ישירות בזוגות של חורים שחורים בעלי מסה כוכבית – המקרה הראשון שתועד אי פעם היה בשנת 2015 באמצעות זיהוי גלי כבידה – אך מעולם לא בבינארי מהזן העל-מסיבי.

מיזוג תקוע ופוטנציאל לאיחוד עתידי

עם ידע חדש על המסה הגדולה ביותר של המערכת, הצוות הגיע למסקנה שהיה צורך במספר גדול במיוחד של כוכבים כדי להאט את המסלול הבינארי מספיק כדי לקרב אותם עד כדי כך. תוך כדי כך, נראה שהחורים השחורים השליכו החוצה כמעט את כל החומר בסביבתם, והותירו את ליבת הגלקסיה מורעבת מכוכבים וגז. ללא עוד חומר זמין שיאט עוד יותר את מסלולם של הזוג, המיזוג שלהם נעצר בשלבים האחרונים שלו.

"בדרך כלל נראה שלגלקסיות עם זוגות חורים שחורים קלים יותר יש מספיק כוכבים ומסה כדי להניע את שתיהן יחד במהירות", אמר רומני. "מכיוון שהזוג הזה כל כך כבד, נדרשו הרבה כוכבים וגז כדי לבצע את העבודה. אבל הבינארי סרק את הגלקסיה המרכזית של חומר כזה, והשאיר אותה תקועה ונגישה למחקר שלנו."

האם הזוג יתגבר על הקיפאון ובסופו של דבר יתמזג בטווחי זמן של מיליוני שנים, או ימשיך בלימבו מסלולי לנצח, עדיין לא נקבע. אם הם אכן מתמזגים, המתקבל גלי כבידה יהיו חזקים פי מאה מיליון מאלה שנוצרו על ידי מיזוגים של חורים שחורים במסה כוכבית. ייתכן שהזוג יוכל לכבוש את המרחק הסופי הזה באמצעות מיזוג גלקסיות אחר, מה שיזריק למערכת חומר נוסף, או אולי חור שחור שלישי, כדי להאט את מסלולם של הזוג מספיק כדי להתמזג. עם זאת, בהתחשב במעמדו של B2 0402+379 כצביר מאובנים, מיזוג גלקטי נוסף אינו סביר.

"אנו מצפים לחקירות המשך של הליבה של B2 0402+379, שם נבדוק כמה גז קיים", אומר טירת' סורטי, בוגר תואר ראשון בסטנפורד והמחבר הראשי בעיתון. "זה אמור לתת לנו יותר תובנה אם החורים השחורים העל-מאסיביים יכולים בסופו של דבר להתמזג או שהם יישארו תקועים כבינאריים."

הערות

1. אמנם יש עדויות לחורים שחורים סופר-מסיביים המגיעים במרחק של כמה שנות אור זה מזה, אבל נראה שאף אחד מהם לא הצליח להתגבר על המרחק הסופי הזה. השאלה אם אירוע כזה אפשרי ידועה בשם הסופי-parsec בעיה והיווה נושא לדיון בקרב אסטרונומים במשך עשרות שנים.
2. תצפיות קודמות נעשו על גלקסיות המכילות שני חורים שחורים סופר-מסיביים, אך במקרים אלה, הם נמצאים במרחק של אלפי שנות אור זה מזה – רחוק מכדי להיות במסלול קשור אחד עם השני כמו הבינארי שנמצא ב-B2 0402+379.
3. מקורות אחרים המופעלים על ידי חורים שחורים קיימים עם הפרדות אפשריות קטנות יותר, אם כי אלו הוסקו באמצעות תצפיות עקיפות ולכן ניתן לסווג אותם בצורה הטובה ביותר כבינאריות מועמדות.
4. תיאוריה זו הועלתה לראשונה בשנת 1980 על ידי Begelman et al. וכבר נטען שזה מתרחש על סמך עשרות שנים של תצפיות על מרכזי הגלקסיות.

הצוות מורכב מ: טירת' סורטי (מכון קאולי לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה של חלקיקים, אוניברסיטת סטנפורד), רוג'ר וו. רומני (מכון קבלי לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה של חלקיקים, אוניברסיטת סטנפורד), ג'וליה שרווכטר (מצפה תאומים/NOIRLab של NSF), אליסון פק. (אוניברסיטת מרילנד) וגרג ב' טיילור (אוניברסיטת ניו מקסיקו, אלבקרקי).