Astronomen ontdekten een vermoedelijk strak binair systeem dat bestaat uit twee superzware zwarte gaten in het centrum van het actieve sterrenstelsel Markarian 501 (kortweg Mrk 501). Het relevante onderzoek werd geleid door het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Duitsland en is geaccepteerd door de Monthly Notices van de Royal Astronomical Society.

Langetermijnradiowaarnemingen met hoge resolutie laten zien dat er niet alleen een al lang bekende krachtige deeltjesstraal in de kern van de Melkweg zit (een straal verwijst naar een stroom hoogenergetische deeltjes die met bijna de snelheid van het licht worden uitgestoten), maar ook een tweede verborgen straal, die direct bewijs levert voor een paar superzware zwarte gaten die extreem dicht bij elkaar cirkelen.

Huidig ​​onderzoek toont aan dat bijna elk groot sterrenstelsel zich in het centrum van een superzwaar zwart gat bevindt met een massa van miljoenen tot miljarden maal die van de zon. Het is echter moeilijk om binnen de leeftijd van het heelal tot een dergelijke ‘omvang’ te groeien, simpelweg door omringend gas aan te trekken. Daarom worden fusies tussen zwarte gaten beschouwd als een van de belangrijke manieren om ‘dik te worden’. Het is niet ongebruikelijk om botsingen tussen sterrenstelsels waar te nemen, en er wordt ook gespeculeerd dat de zwarte gaten in de centra van deze sterrenstelsels onder invloed van de zwaartekracht geleidelijk dichterbij zouden moeten komen en uiteindelijk zouden moeten samensmelten. Theoretische modellen zijn echter nog steeds onvolmaakt in het beschrijven van deze ‘laatste fase’, en een ‘dichtbij binair zwart gat’-systeem is nog nooit eerder op betrouwbare wijze door beeldvorming bevestigd. Deze waarneming van Mrk 501 vormt een belangrijk puzzelstukje voor dit al lang bestaande astrofysische beeld.

Het onderzoeksteam voerde een systematische analyse uit van observatiegegevens in het kerngebied van Mrk 501 op verschillende radiofrequenties over een periode van ongeveer 23 jaar. De gegevens kwamen van een netwerk van radiotelescopen verspreid over de hele wereld, met een extreem hoge hoekresolutie. Uit de resultaten bleek dat naast de bekende jet die naar de aarde wees en bijzonder helder was, er ook nog een tweede jet verborgen was in de gegevens. De richting ervan was duidelijk anders dan die van het eerste straalvliegtuig, en het vertoonde in slechts een paar weken aanzienlijke positieveranderingen. Met de vergelijking van gegevens over meerdere tijdperken 'zagen' astronomen niet alleen de tweede jet, maar volgden ze ook zijn baan, wat werd geïnterpreteerd als het projectie-effect van zijn baan rond een ander zwart gat.

Uit waarnemingsgegevens blijkt dat de tweede straal van achter het bekende zwarte gat met een grotere massa lijkt te worden uitgestoten en tegen de klok in draait, wat periodieke verplaatsingsveranderingen laat zien in continue waarnemingen, alsof het hele straalsysteem ‘zwaait’. Het onderzoeksteam legde dit fenomeen uit als de zwaai van het baanvlak van het binaire zwarte gatensysteem: de twee zwarte gaten draaien om elkaar heen, waardoor de hoek tussen de richting van de straal en onze gezichtslijn voortdurend verandert. Bij een waarneming in juni 2022 kwam de straling van het jetsysteem toevallig via een extreem "scheef" pad op de aarde terecht. Onder het buigende effect van de sterke zwaartekracht van het bekende zwarte gat op de voorgrond werd het licht van de achterste straal in een ongeveer ringvormige structuur 'getrokken', de zogenaamde 'Einstein-ring'. Dit biedt krachtige ondersteuning voor de verklaring dat "het zwarte gat op de voorgrond fungeert als een zwaartekrachtlens, en de achtergrondstraal afkomstig is van het tweede zwarte gat."

Door de periodiciteit van de helderheidsveranderingen en de positie-evolutie van het straalvliegtuig te analyseren, berekende het onderzoeksteam dat het ongeveer 121 dagen duurt voordat de twee zwarte gaten om elkaar heen draaien. De afstand tussen hen wordt geschat op ongeveer 250 tot 540 keer de afstand tussen de aarde en de zon. Dit is nog steeds een enorme schaal voor gewone sterren, maar voor superzware zwarte gaten met massa's tussen de 100 miljoen en 1 miljard zonsmassa's is deze afstand al behoorlijk "klein". Op basis van het massabereik en de orbitale parameters zou dit binaire zwarte gatensysteem uiteindelijk binnen ongeveer 100 jaar kunnen samensmelten als gevolg van het verlies van orbitale energie als gevolg van zwaartekrachtstraling. Deze tijdschaal wordt beschouwd als "onmiddellijk" in de evolutie van het universum.

Het is vermeldenswaard dat, hoewel de twee zwarte gaten zelf extreem groot zijn, omdat Mrk 501 extreem ver weg is van de aarde, zelfs de Event Horizon Telescope (EHT), die de ringstructuur van de "gebeurtenishorizon" van het zwarte gat heeft gefotografeerd, momenteel niet in staat is om ze direct in twee onafhankelijke hemellichamen op te splitsen. Naarmate de orbitale straal verder kleiner wordt, zal de ‘laatste rotatiecirkel’ van het binaire zwarte gatensysteem nog steeds moeilijk direct in beeld te zien zijn, maar wetenschappers hopen de laatste stappen ervan vast te leggen via een ander ‘signaal’: zwaartekrachtgolfstraling in de extreem lage frequentieband. Deze signalen zullen naar verwachting worden gedetecteerd via de "Pulsar Timing Array" (PTA) observatiemethode, die de grootschalige zwaartekrachtgolfachtergrond van het universum "hoort" door nauwkeurig de periodieke micro-verstoringen van millisecondepulsars te monitoren.

In feite zijn superzware dubbelsterren met zwarte gaten nu al een van de belangrijkste kandidaat-bronnen om het signaal van de ‘zwaartekrachtgolfachtergrond’ te verklaren dat in 2023 werd gerapporteerd door teams als de Europese Pulsar Timing Array. Mrk 501 is nu een zeer waardevol ‘doellaboratorium’ geworden, dat naar verwachting rechtstreeks zal corresponderen met bepaalde laagfrequente zwaartekrachtsgolfsignalen gemeten door PTA met specifieke binaire zwarte gatensystemen, waardoor de eerdere statistische ‘achtergrond’ een duidelijke identiteit van hemellichamen krijgt. Onderzoeksmedewerkers wezen erop dat als zwaartekrachtsgolven in de toekomst met succes in de richting van deze bron kunnen worden opgevangen, niet alleen wordt verwacht dat hun frequentie in de loop van de tijd geleidelijk zal toenemen, wat overeenkomt met het proces waarbij zwarte gaten steeds dichterbij komen, maar dat ze voor het eerst ook in staat kunnen zijn om bijna "real-time tracking" evolutiegegevens te verkrijgen op de schaal van "superzware samensmeltingen van zwarte gaten".

In deze studie zijn Silke Britzen, Frédéric Jaron en Nicholas Roy McDonald van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie ondertekend als co-auteurs, en de relevante resultaten zullen worden gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Dit paar supermassieve dubbelsterren met zwarte gaten in het centrum van Mrk 501 biedt niet alleen een belangrijk argument voor het begrijpen van hoe het zwarte gat in het centrum van de Melkweg groeit, maar opent ook een zeldzaam 'schietbereik' voor toekomstige zwaartekrachtsgolfastronomie op basis van pulsartiming, waardoor mensen in de komende decennia tot honderden jaren met eigen ogen getuige kunnen zijn van een 'fusie van zwarte gaten' op kosmische schaal.