Mrk 501:n mahdollinen kaksinkertainen mustien aukkojen törmäys

Puoli miljardia valovuotta päästä sijaitseva galaksi Mrk 501 saattaa olla järjestämässä yhtä maailmankaikkeuden dramaattisimmista tapahtumista, ja kosmisin mittapuin se voi tapahtua lähes välittömästi. Astronomit uskovat nyt, että tämän loistavan galaksin ytimessä saattaa kiehua kaksi supermassiivista mustaa aukkoa toistensa ympäri, niin lähellä toisiaan että törmäys voisi tapahtua alle vuosisadan kuluessa.

Tällainen aikajänne on hämmästyttävä. Astronomiassa, jossa prosessit usein unfoldavat miljoonien tai miljardien vuosien aikana, mahdollinen mustien aukkojen yhdistyminen 100 vuoden sisällä tuntuu lähes kuin seuraisi säätä kaukaisella planeetalla. Jos todisteet pitävät paikkansa, Mrk 501 voisi nousta yhdeksi modernin astrofysiikan tärkeimmistä kohteista.

Uusi tutkimus, jota johtaa Silke Britzen Max Planck -instituutista radiotutkimukseen, ehdottaa epätavallista selitystä galaksin oudoille radiohavaintoille: ei yhtä suihkua, vaan kahta. Kukin suihku olisi oman supermassiivisen mustan aukon voimalla syntyvä. Väite ei ole vielä lopullinen vahvistus, mutta tiimi katsoo sen olevan paras saatavilla oleva tulkinta siitä, mitä teleskoopit näkevät blazarin ytimessä.

Se on merkittävää, koska tähtitieteilijät ovat pitkään epäilleet, että galaksien yhdistymät tuottavat lopulta pareja supermassiivisia mustia aukkoja. Olemme havainneet galaksien törmäyksiä. Tiedämme, että useimmissa suurissa galakseissa on keskuksissaan jättimäiset mustat aukot. Kun nämä tiedot yhdistetään, binaaristen supermassiivisten mustien aukkojen pitäisi olla olemassa. Todellinen haaste on kuitenkin saada ne havaittua selkeästi, erityisesti kun ne ovat pakattuina aktiivisen galaksin myrskyisään ja kirkkaaseen ytimeen.

Mrk 501 ei ole helppo kohde tulkittavaksi. Se on blazari, aktiivisen galaksin tyyppi, jonka suihku suuntautuu lähes suoraan kohti Maata. Se tekee galaksista äärimmäisen kirkkaan sähkömagneettisen spektrin kaikilla alueilla, mutta samalla näköalaa hankaloittaa. Heijastus on voimakas. Keskusta on kaoottinen. Signaalit menevät päällekkäin. Se on kuin yrittäisi tutkia majakan mekaniikkaa tuijottaessaan suoraan valokeilaan.

Tämän ongelman kiertämiseksi tutkijat turvautuivat ultra korkearesoluutioisiin radiohavaintoihin, jotka on kerätty noin 23 vuoden aikana. Seuraamalla kirkkaita rakenteita suihkussa eri radioaallonpituuksilla he rekonstruoivat, miten aine käyttäytyy galaksin keskusmoottorin läheisyydessä. Esiin nousi ei yksinkertainen yhden suihkun tarina. Sen sijaan aineisto vihjasi toisesta, himmeämmästä suihkusta, joka kiertyi ytimen ympäri vastapäivään.

Britzen kuvaili analyysiä kuin seisoisi laivalla ja koko suihkujärjestelmä olisi liikkeessä. Tämä kuva piirtää pulman hyvin. Rakenne ei vaikuta vakaalta tai siististi kohdistetulta. Se aaltoilee. Yksi mahdollinen selitys on, että kahden mustan aukon kiertoliike saa koko suihkujärjestelmän heilahtamaan.

Kun tiimi mallinsi liikettä, he löysivät galaksin vaihtuvasta valosta kaksi toistuvaa aikaskaalaa. Toinen sykli kesti noin seitsemän vuotta, mikä sopii suihkun horjahduksen malliin, verrattavissa epävakaan keilapään liikkeeseen. Toinen sykli oli paljon lyhyempi, noin 121 päivää. Tutkijoiden mukaan tuo lyhyempi rytmi saattaa heijastaa kahden mustan aukon omaa kiertoaikaa.

Jos näin on, pari on erillään vain noin 250–540 kertaa Maan ja Auringon välinen etäisyys. Supermassiivisille mustille aukkoille se on äärimmäisen tiukka etäisyys. Tieteellisemmin ilmaistuna väli voi olla enintään noin 0,0026 parsekia. Luku on pieni, mutta sillä on valtava merkitys mustien aukkojen fysiikassa, koska se koskettaa yhtä alan sitkeimmistä pulmakohdista, ns. viimeisen parsekin ongelmaa.

Ongelma on seuraava. Kun kaksi supermassiivista mustaa aukkoa kierii toisiaan kohti, ne menettävät kiertoon liittyvää energiaa vuorovaikutuksessa ympäröivien tähtien ja kaasun kanssa. Tämän prosessin pitäisi asteittain kutistaa niiden kiertoa. Mutta teorian mukaan pullonkaula ilmenee, kun ne saavuttavat noin yhden parsekin etäisyyden. Tuossa vaiheessa lähellä ei välttämättä ole enää riittävästi materiaalia pitämään energianpoistoa tehokkaana, mikä voi pahimmillaan pysäyttää lähentymisen pidemmäksi ajaksi kuin maailmankaikkeuden ikä.

Ja kuitenkin, jos Mrk 501 todella isännöi binaarista mustaa aukkoa näin pienellä etäisyydellä, luonto on jollain tavoin löytänyt keinon ohittaa tuo este. Se olisi merkittävä vihje pitkään jatkuneessa pyrkimyksessä ymmärtää, miten supermassiiviset mustat aukot kasvavat, yhdistyvät ja muovaavat ympäröiviä galakseja.

Panokset nousevat entisestään, kun mukaan tulevat gravitaatioaallot. Toisin kuin LIGO:n havaitsemat mustien aukkojen yhdistymiset, jotka koskevat paljon pienempiä tähtimassaisia mustia aukkoja, supermassiivinen binaari tuottaisi matalataajuisia gravitaatioaaltoja. Niitä ei havaita samalla tavalla. Sen sijaan tähtitieteilijät etsivät niitä pulsarien ajoitusverkostoilla, jotka seuraavat galaksin laajalle levinneiden kuolleiden tähtien tasaisia radiopulsseja. Kulkeva gravitaatioaalto voi hienovaraisesti häiritä tuota rytmiä.

Jos Mrk 501 on todellakin lähestymässä yhdistymistä, se voi muuttua poikkeukselliseksi laboratorioksi tälle seuraavalle astronomian aikakaudelle. Tutkijat saattavat pystyä seuraamaan paitsi epäilyttävää suihkua tai valokäyrän vaihtelua, myös gravitaatioaaltojen taajuuden hidasta nousua, kun kaksi jättiläistä kiristyvät kiertoradallaan kohti kohtaamista.

Kukaan ei väitä, että tapaus olisi selvä. Kaksisuuntaisen suihkujärjestelmän suora kuvantaminen blazarin ytimessä ei ole aiemmin onnistunut, ja poikkeukselliset väitteet vaativat kärsivällisyyttä. Silti Mrk 501:stä muodostuva kuva on vaikea sivuuttaa. Lähes naapurissa oleva blazari, mahdollinen binaarinen supermassiivinen musta aukko, teorian sietokykyä haastava hyvin pieni erottuvuus ja yhdistyminen, joka voi tapahtua ihmishavainnoille merkityksellisellä aikaskaalalla, muodostavat sellaisen kosmisen tarinan, jota tähtitieteilijät odottavat vuosikymmeniä kertoakseen.

Jos tulevat havainnot vahvistavat tämän, Mrk 501 lakkaa olemasta vain yksi kirkas galaksi radiokartalla. Se tarjoaa eturivin paikan yhteen tunnetun maailmankaikkeuden harvinaisimmista näytelmistä.