Astronomie

Pourquoi les trous noirs ne dévorent-ils pas rapidement la galaxie/l'univers ?

Pourquoi les trous noirs ne dévorent-ils pas rapidement la galaxie/l'univers ?

Je crois comprendre que le rayon de l'horizon des événements d'un trou noir est proportionnel à sa masse.

Ce qui signifie que la surface d'un trou noir est proportionnelle à sa masse au carré.

Supposons simplement que les trous noirs mangent des choses qui, par hasard, "les heurtent".

En utilisant cette hypothèse (peut-être naïve), cela signifierait que les trous noirs gagneraient en masse à un taux proportionnel à leur surface, qui est le même que leur rayon au carré, qui est leur masse au carré.

Alors on obtient quelque chose comme :

$frac{dm}{dt} propto m^2$

$m = 1 / (C - t)$

Ce qui signifie que tous les trous noirs devraient atteindre une taille infinie en un temps fini.

En effet, ils finiront par arriver à un point où même de petites quantités de masse augmenteront tellement le volume du trou noir (car l'augmentation du volume est proportionnelle à la masse actuelle au carré) et même si la densité de l'univers est très faible, cela finira par signifie que toute croissance déclenchera une croissance incontrôlable car chaque atome avalé par le trou noir augmente son volume de telle sorte qu'en moyenne, ce nouveau volume contient un nouvel atome.

Est-ce simplement que les facteurs constants ici sont très élevés, ou l'une de mes hypothèses est-elle tout à fait incorrecte ? Je dis assez incorrect car même s'ils sont légèrement incorrects (le taux de croissance est proportionnel à la masse et non à la masse au carré), bon nombre de ces problèmes se produisent toujours sur des échelles de temps suffisamment longues.


Votre analyse approximative est fondamentalement correcte ; tout pourrait bien finir dans des trous noirs finalement. Mais le délai pour cela est vraiment très long.

La section transversale pour l'interaction directe que vous décrivez est extrêmement petite. Le diamètre d'un trou noir de dix masses solaires est de 60 km. La vitesse à laquelle il récupère la matière interstellaire d'un cylindre de 60 km de diamètre est totalement négligeable. par exemple. Une vitesse de 10 km/s par rapport au gaz interstellaire et une densité de gaz typique de $10^6$ atomes H par mètre cube, entraînerait un taux d'accrétion d'environ 1,5 kg/an.

Les chances de collisions directes d'étoile à étoile dans une galaxie sont extrêmement rares, de sorte que les chances qu'une étoile errante s'écrase directement dans un trou noir sont encore plus faibles.

Avec les trous noirs supermassifs, le problème avec votre analyse est qu'ils se trouvent au centre des galaxies et que les étoiles ne les rencontrent pas par hasard. Les étoiles et le gaz d'une galaxie ont un moment angulaire qui doit être conservé. Cela les emmène sur des orbites qui ne s'approchent pas du trou noir à moins d'être perturbées d'une manière ou d'une autre. Ces trous noirs supermassifs se nourrissent tant qu'ils le peuvent, mais lorsque toute la matière facilement disponible a été consommée, ils deviennent dormants. C'est l'une des raisons pour lesquelles le pic d'activité des quasars remonte à environ 10 à 12 milliards d'années.


Parce qu'ils sont la force gravitationnelle n'est pas assez forte. Ils ont besoin de prendre le temps de manger, comme nous si nous mangeons un Gigantic Burger. Mais pour les trous noirs, c'est comme si nous mangions un continent.


Le RHS de votre équation différentielle ne dépend pas du temps, donc ce modèle ne prend pas en compte l'expansion de l'espace, qui, j'imagine, serait bien plus dramatique que la croissance des trous noirs. En effet, selon votre modèle l'expansion de l'univers n'aurait jamais pu se produire, puisque tout a commencé dans une petite zone (certainement assez massive pour avoir un horizon des événements). Fondamentalement, vous supposez un univers statique.

De plus, si l'univers entier consistait simplement en un trou noir avec une lune sur une orbite stable autour d'elle, alors le trou noir ne s'étendra jamais, je suppose que vous supposez que dans un univers chaotique, un tel arrangement est improbable. Cependant, je soupçonne qu'avec la conservation du moment angulaire, de tels arrangements ne sont pas si improbables (les systèmes solaires et les galaxies existent après tout).

Donc, fondamentalement, vous supposez un univers statique et fini où les orbites stables n'existent pas à long terme. Dans ce cas, vous n'avez pas du tout besoin de trous noirs, tout convergera simplement vers le centre de masse.

Je suppose que votre hypothèse initiale est du rayon Schwarzschild. L'horizon des événements n'est également que dans la même proportion par rapport à sa masse pour tous les objets à symétrie sphérique non rotatifs, ce qui n'est pas nécessairement le cas pour votre trou noir, en particulier juste après qu'une certaine masse soit entrée dans son horizon des événements. Le fait que les trous noirs en 3D aient tendance à former d'énormes disques d'accrétion en 2D sape la composante de symétrie sphérique de l'hypothèse. Je ne sais pas à quel point cette hypothèse est importante, je ne suis qu'un gars au hasard sur Internet. C'est peut-être encore à peu près proportionnel, tout bien considéré.


Les trous noirs supermassifs ne mangent pas que des étoiles - ils en font aussi de nouvelles

Les trous noirs supermassifs ne détruisent pas seulement les étoiles, de nouvelles étoiles naissent également dans l'environnement extrême qui les entoure.

Un groupe d'astronomes utilisant le très grand télescope de l'Observatoire européen austral (ESO) a découvert des étoiles se formant dans des masses de poussière et de particules crachées par des trous noirs supermassifs au cœur des galaxies.

Dans un article publié dans Nature, les scientifiques ont décrit l'utilisation du MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) et d'un autre instrument spectroscopique, le X-shooter, pour étudier une collision en cours entre deux galaxies à environ 600 millions d'années-lumière de la Terre.

Vue d'artiste d'une galaxie formant des étoiles au sein de puissants écoulements de matière provenant de . [+] des trous noirs supermassifs en son cœur. Les résultats du Very Large Telescope de l'ESO sont les premières observations confirmées d'étoiles se formant dans ce type d'environnement extrême. La découverte a de nombreuses conséquences pour la compréhension des propriétés et de l'évolution des galaxies. (Crédit : ESO/M. Kornmesser)

Au centre de la galaxie australe, des vents colossaux de matière jaillissent d'un trou noir supermassif, entraînés par l'énorme production d'énergie de sa nature destructrice. Mais bien que les vents soient entraînés par le trou noir qui ronge la matière à proximité, ils conduisent à la formation de nouvelles étoiles.

"Les astronomes ont pensé pendant un certain temps que les conditions au sein de ces flux pourraient être propices à la formation d'étoiles, mais personne ne l'a vu se produire car c'est une observation très difficile", a déclaré le chef d'équipe Roberto Maiolino de l'Université de Cambridge. "Nos résultats sont passionnants car ils montrent sans ambiguïté que des étoiles sont créées à l'intérieur de ces sorties."

Les instruments du VLT ont montré à l'équipe le rayonnement des jeunes étoiles, qui fait briller les nuages ​​de gaz à proximité d'une manière particulière. Cela a permis aux astronomes de trouver une population stellaire dans la sortie de ce trou noir supermassif qui présente des étoiles qui semblent avoir moins de quelques dizaines de millions d'années. Ces étoiles sont également plus chaudes et plus brillantes que les étoiles formées dans des environnements moins extrêmes.

Une fois nées, ces étoiles sont rapidement prises dans les vents à grande vitesse qui les ont créées.

"Les étoiles qui se forment dans le vent près du centre de la galaxie pourraient ralentir et même commencer à revenir vers l'intérieur, mais les étoiles qui se forment plus loin dans le flux subissent moins de décélération et peuvent même s'envoler complètement hors de la galaxie", a déclaré co -auteur Helen Russell de l'Institut d'astronomie de Cambridge.

Si les étoiles peuvent se former juste au centre des galaxies dans les sorties de trous noirs supermassifs, puis être éjectées dans l'univers, cela pourrait complètement changer la vision de pourquoi les galaxies sont façonnées comme elles sont et comment elles obtiennent ces formes.

Cela affecterait également notre compréhension de la façon dont l'espace intergalactique finit par s'enrichir d'éléments lourds. Ces étoiles pourraient même être à l'origine du rayonnement de fond infrarouge cosmique encore inexpliqué qui sature notre Univers.

"Si la formation d'étoiles se produit réellement dans la plupart des flux sortants galactiques, comme le prédisent certaines théories, cela fournirait un scénario complètement nouveau pour notre compréhension de l'évolution des galaxies", a déclaré Maiolino.


Les trous noirs supermassifs peuvent tuer des galaxies entières

Dévorer votre nourriture peut être mauvais pour votre santé, mais qui savait que le même principe pouvait s'appliquer à une galaxie entière ? Les astrophysiciens ont découvert que lorsqu'un trou noir supermassif dévore rapidement du gaz et de la poussière, il peut générer suffisamment de rayonnement pour faire avorter toutes les étoiles embryonnaires de la galaxie environnante. On ne sait pas ce que cela signifie pour la capacité de la vie à s'installer dans un environnement aussi sombre, mais la recherche montre que le processus pourrait avoir déterminé le destin de nombreuses grandes galaxies de l'univers.

Depuis le milieu des années 1990, les astronomes savent que chaque galaxie de l'univers abrite en son centre un trou noir supermassif. Ces monstres, certains contenant la masse de milliards de soleils, peuvent avaler des volumes gigantesques de gaz et de poussière. Quand tant de matière s'approche de la gueule et se rassemble, d'énormes quantités de radiations explosent loin dans l'espace.

Les astronomes savent également depuis des années que certaines grandes galaxies ne semblent pas former de nouvelles étoiles, elles sont pleines de soleils vieillissants. L'activité extrême des trous noirs supermassifs est-elle liée à la pénurie de fabrication d'étoiles ?

Une équipe dirigée par l'astrophysicien Asa Bluck de l'Université de Nottingham au Royaume-Uni a décidé d'enquêter. Ils ont sélectionné une centaine de galaxies contenant des trous noirs supermassifs actifs. Au cours des 5 dernières années, ils ont étudié ces galaxies dans les longueurs d'onde optiques, proches de l'infrarouge et des rayons X à l'aide de télescopes en orbite et au sol. En particulier, les chercheurs ont estimé le taux de croissance des trous noirs à partir des quantités de rayonnement qu'ils émettaient. L'équipe a également comparé les masses des trous noirs avec les masses totales de leurs galaxies hôtes pour déterminer la quantité de matière qu'ils avaient avalée.

Vendredi, lors d'une réunion de la Royal Astronomical Society à Glasgow, au Royaume-Uni, Bluck rapportera que les trous noirs supermassifs les plus actifs libèrent des quantités stupéfiantes de rayonnement pendant leurs périodes les plus énergétiques, qui peuvent durer des centaines de millions d'années - assez, dit-il, "pour séparer chaque galaxie massive de l'univers au moins 25 fois." Les émissions de rayons X de ces monstres, ajoute-t-il, éclipsent le rayonnement X combiné de toutes les autres sources de l'univers. De telles émissions peuvent balayer pratiquement toute la poussière froide et compacte d'une galaxie, empêchant ainsi cette poussière de se figer en de nouvelles étoiles. Il ajoute que sur les 100 galaxies étudiées par l'équipe, au moins un tiers ont perdu leur capacité de fabrication d'étoiles, probablement à cause du rayonnement de leurs trous noirs centraux. Dans les autres galaxies, les trous noirs supermassifs sont moins actifs et le processus de formation des étoiles est évident.

L'impact éventuel sur la santé de la galaxie est profond. "Sans de nouvelles étoiles pour les remplacer", les vieilles étoiles vieilliront, rougiront et finiront par disparaître", dit Bluck. "Les galaxies s'assombriront et mourront également."

Si la vie évolue pendant la phase active du trou noir central, alors le puissant rayonnement l'effacerait presque certainement. Mais après que le trou noir se soit calmé, dit Bluck, les conditions seraient beaucoup plus hospitalières, aucune nouvelle étoile ne se formerait et ne perturberait le voisinage galactique en brassant du gaz et de la poussière et en émettant leur propre rayonnement.

La recherche représente un "grand pas en avant dans la quête pour déterminer pourquoi certaines galaxies ne fabriquent pas de nouvelles étoiles", a déclaré l'astronome Steven Willner du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Massachusetts. Bien que les résultats confirment que les trous noirs supermassifs actifs émettent beaucoup de rayons X, explique-t-il, le fait que le rayonnement vide réellement les galaxies de leur gaz "est une bonne hypothèse, mais encore loin d'être une certitude".


Les trous noirs supermassifs ne dévorent pas tous la matière de la même manière

Au cœur même de presque toutes les galaxies, il y a un trou noir supermassif. Ces géants cosmiques grandissent en se nourrissant de la matière qui se rapproche trop d'eux, bien que cela n'explique pas comment certains d'entre eux deviennent si énormes. Or, des observations à l'aide de radiotélescopes ultra-sensibles ont révélé que le mode d'alimentation est très différent d'un trou noir à l'autre.

Les astronomes ont découvert que certaines galaxies ont des trous noirs supermassifs très gloutons. Ceux-ci font l'expérience de frénésie alimentaire, accumulant autant de matière qu'ils le peuvent très rapidement. D'autres semblent être plus sophistiqués, grignotant lentement ce qui leur est disponible. Un troisième groupe semble suivre un régime strict, presque affamé.

L'étude systématique des trous noirs supermassifs, rapportée dans deux articles (ici et ici) dans Astronomy & Astrophysics, met en évidence à la fois les choses que nous savons et ce que la prochaine génération d'observatoires nous aidera à comprendre.

"Nous recevons de plus en plus d'indications que toutes les galaxies ont des trous noirs extrêmement massifs dans leurs centres. Bien sûr, ceux-ci doivent avoir atteint leur masse actuelle. Il semble que, grâce à nos observations, nous ayons maintenant ces processus de croissance en vue et commencent lentement mais sûrement à les comprendre", a déclaré le co-auteur Peter Barthel, de l'université de Groningue, dans un communiqué.

L'équipe a également vu que certains trous noirs supermassifs produisent des jets pendant l'alimentation, mais parfois ils ne le font pas, et cela ne semble pas dépendre de la vitesse d'ingestion de la matière. Une autre découverte est liée à la galaxie plus large. Parfois, la phase d'accrétion se produit alors que la galaxie hôte connaît une nouvelle explosion de formation d'étoiles. D'autres fois, il y a une explosion d'étoiles mais pas de trou noir nourrissant, bien que l'équipe admette qu'il est difficile à repérer en raison de la formation d'étoiles qui se déroule tout autour.

L'étude a combiné plusieurs observatoires spatiaux regardant le ciel dans les longueurs d'onde visibles, infrarouges et des rayons X avec certains des réseaux actuels et les plus impressionnants de radiotélescopes tels que le Very Large Array, e-MERLIN et le réseau européen VLBI.

L'utilisation de radiotélescopes a permis aux chercheurs de trouver les trous noirs supermassifs les plus silencieux, indiquant que le comportement de ces objets gargantuesques n'est pas une simple binaire de se nourrir ou de ne pas se nourrir. Les prochains observatoires comme le Square Kilometer Array (SKA) repousseront les limites des observations radio des trous noirs, ce qui s'est avéré utile pour étudier les habitudes alimentaires des trous noirs dans l'univers lointain.

"C'est une bonne nouvelle, car les radiotélescopes SKA arrivent et ils nous permettront de regarder plus profondément dans l'univers avec encore plus de détails", a ajouté l'auteur principal Jack Radcliffe de l'Université de Pretoria.


7 trous noirs “faits” qui ne sont pas vrais

Êtes-vous vraiment voué à être aspiré dans un trou noir ? Et sont-ils vraiment aussi gros que vous le pensez ?

Publié: 30 mars 2021 à 00:00

Mystérieux, dangereux et excitants, les trous noirs sont une caractéristique courante de la science-fiction. Mais la façon dont ils sont décrits n'est pas toujours exacte.

Ce sont les sept plus grands mythes sur les trous noirs, brisés.

Les trous noirs « mangent » des choses

Bien qu'ils aient la réputation d'être comme la chenille très affamée, les trous noirs ne recherchent pas d'étoiles et de planètes à « manger », et ils n'auront pas faim s'ils manquent de « nourriture » ​​dans le quartier.

Plutôt qu'une monstrueuse machine à manger, il est plus logique de considérer un trou noir comme une simple zone de l'espace-temps où la gravité est incroyablement forte. Si une étoile est proche d'un trou noir, elle sera attirée par la gravité et peut éventuellement être traînée au-delà du point de non-retour et aspirée dans le trou noir.

Mais le trou noir ne se nourrit pas de la matière qu'il absorbe, et il ne lui arrivera rien s'il n'a plus de choses à avaler.

Les trous noirs sont énormes

Certains trous noirs sont énormes. Les trous noirs supermassifs ont des diamètres de l'ordre de dizaines de millions de kilomètres. Mais ce n'est pas garanti. Certains trous noirs sont beaucoup, beaucoup plus petits.

Les trous noirs de masse stellaire – ceux dont la masse est similaire à notre Soleil – peuvent être absolument minuscules. En fait, en 2019, les astronomes ont découvert un trou noir dont on pense qu'il ne mesure que 19 kilomètres de diamètre.

Tout ce qui se trouve près d'un trou noir est voué à être aspiré

La gravité d'un trou noir est incroyablement forte, mais à part cela, elle n'est pas différente de tout autre type de gravité. La force gravitationnelle due à un trou noir 10 fois la masse du Soleil est exactement la même que celle d'une étoile de 10 masses solaires.

Ainsi, un objet proche d'un trou noir agira exactement de la même manière que si vous troquiez le trou noir contre une étoile de même masse.

En fait, il est parfaitement possible d'orbiter autour d'un trou noir. Non seulement cela, mais certains scientifiques pensent que la vie pourrait exister sur des planètes en orbite autour de trous noirs.

Vous ne pouvez pas voir un trou noir

Il est vrai qu'une fois que la lumière passe l'horizon des événements - également connu sous le nom de "point de non-retour" - elle ne peut jamais s'échapper. C'est parce que la gravité est si forte que la vitesse de fuite, la vitesse qu'il faudrait à quelque chose pour s'échapper, est supérieure à la vitesse de la lumière.

Mais il existe plusieurs façons de repérer un trou noir. L'une consiste à regarder la façon dont les étoiles se déplacent autour d'elle. En 2002, les astronomes ont réussi à capturer le mouvement d'une étoile nommée S2 autour de l'objet au centre de la Voie lactée. L'étoile était clairement en orbite autour d'une chose invisible – et cette chose est ce que nous appelons maintenant le trou noir supermassif Sagittarius A*.

Les astronomes ont examiné de plus près un trou noir en 2019, lorsque le télescope Event Horizon a capturé une image de M87*. M87* est un trou noir supermassif, et il est entouré d'un grand "disque d'accrétion" d'étoiles, de gaz et d'autres matériaux, en spirale vers le centre. Ce matériau est chauffé par friction lorsqu'il tourbillonne à des vitesses proches de la lumière et émet un rayonnement électromagnétique.

En utilisant des télescopes tout autour de la Terre pour fabriquer un télescope de la taille d'une planète, EHT a capturé une image désormais célèbre de ce disque d'accrétion.

Les trous noirs sont des trous dans l'espace-temps

Un trou noir est un trou dans le sens où si quelque chose tombe dedans, il y sera piégé. Mais ce n'est pas littéralement un "trou" dans l'espace-temps. C'est, cependant, une région où les lois de la physique commencent à devenir désordonnées.

Que se passe-t-il à l'intérieur d'un trou noir ? Eh bien, nous n'avons absolument aucun moyen de le savoir avec certitude. Même pas la lumière ne peut s'échapper d'un, donc nous ne pouvons pas voir à l'intérieur.

Cependant, certains physiciens pensent que les trous noirs pourraient en fait être des portails vers d'autres endroits de l'Univers appelés « trous de ver ».

Les trous noirs restent au même endroit

Il est facile d'imaginer qu'un trou noir est un point fixe dans l'espace-temps, entraînant toute la matière à proximité vers l'intérieur pour rencontrer son destin éventuel. Mais ce n'est pas le cas. Comme les étoiles, les planètes et tout le reste de l'Univers, les trous noirs sont mobiles.

En fait, les premières ondes gravitationnelles détectées en 2015 étaient le résultat de la collision et de la fusion de deux trous noirs. Les deux se sont mis en orbite, se rapprochant de plus en plus en spirale, avant de finalement fusionner avec un crash.

Un trou noir te tuerait en t'écrasant

Les trous noirs sont les objets les plus denses de l'Univers, et vous ne pourriez absolument pas survivre à la pression écrasante. Mais ce ne serait pas ce qui vous tue. Ce qui vous tuerait est un effet appelé – honnêtement – ​​« spaghettification ».

Imaginez que vous tombez les pieds en avant vers un trou noir. Les forces gravitationnelles sont toujours plus fortes à mesure que vous vous rapprochez de l'objet, mais avec un trou noir, la différence est si notable que la force sur vos pieds est beaucoup, beaucoup plus forte que la force sur votre tête.

Cela signifie que vos pieds seraient accélérés vers le centre du trou noir beaucoup plus rapidement que votre tête, et vous seriez allongé comme des spaghettis. Votre corps entier serait séparé.


A quelle vitesse l'univers s'étend-il ? Les galaxies fournissent une réponse.

NGC 1453, une galaxie elliptique géante située dans la constellation de l'Éridan, était l'une des 63 galaxies utilisées pour calculer le taux d'expansion de l'univers local. L'année dernière, l'équipe d'enquête MASSIVE a déterminé que la galaxie est située à 166 millions d'années-lumière de la Terre et a un trou noir en son centre avec une masse près de 3 milliards de fois celle du soleil. (Photo gracieuseté du Carnegie-Irvine Galaxy Survey)

Déterminer à quelle vitesse l'univers s'étend est essentiel pour comprendre notre destin cosmique, mais avec des données plus précises est venu une énigme : les estimations basées sur des mesures au sein de notre univers local ne concordent pas avec les extrapolations de l'ère peu après le Big Bang 13,8 milliards d'années depuis.

Une nouvelle estimation du taux d'expansion locale - la constante de Hubble, ou H0 (H-naught) - renforce cet écart.

En utilisant une technique relativement nouvelle et potentiellement plus précise pour mesurer les distances cosmiques, qui utilise la luminosité stellaire moyenne dans les galaxies elliptiques géantes comme barreau sur l'échelle des distances, les astronomes calculent un taux - 73,3 kilomètres par seconde par mégaparsec, à 2,5 km/ sec/Mpc - qui se situe au milieu de trois autres bonnes estimations, y compris l'estimation de l'étalon-or des supernovae de type Ia. Cela signifie que pour chaque mégaparsec — 3,3 millions d'années-lumière, ou 3 milliards de milliards de kilomètres — de la Terre, l'univers s'étend de 73,3 ± 2,5 kilomètres supplémentaires par seconde. La moyenne des trois autres techniques est de 73,5 ± 1,4 km/sec/Mpc.

De manière perplexe, les estimations du taux d'expansion locale basées sur les fluctuations mesurées du fond diffus cosmologique et, indépendamment, les fluctuations de la densité de matière normale dans l'univers primitif (oscillations acoustiques baryoniques), donnent une réponse très différente : 67,4 ± 0,5 km/sec. /Mpc.

Les astronomes sont naturellement préoccupés par cette inadéquation, car le taux d'expansion est un paramètre essentiel pour comprendre la physique et l'évolution de l'univers et est essentiel pour comprendre l'énergie noire - qui accélère le taux d'expansion de l'univers et provoque ainsi le changement de la constante de Hubble. plus rapidement que prévu à mesure que l'on s'éloigne de la Terre. L'énergie noire comprend environ les deux tiers de la masse et de l'énergie de l'univers, mais reste un mystère.

Pour la nouvelle estimation, les astronomes ont mesuré les fluctuations de la luminosité de surface de 63 galaxies elliptiques géantes afin de déterminer la distance et la distance tracée en fonction de la vitesse pour chacune afin d'obtenir H0. La technique de fluctuation de la luminosité de la surface (SBF) est indépendante des autres techniques et a le potentiel de fournir des estimations de distance plus précises que d'autres méthodes à environ 100 Mpc de la Terre, ou 330 millions d'années-lumière. Les 63 galaxies de l'échantillon se situent à des distances allant de 15 à 99 Mpc, remontant le temps à une simple fraction de l'âge de l'univers.

Cette illustration montre comment les estimations du taux d'expansion locale à partir des observations de l'univers aujourd'hui - 13,8 milliards d'années après le Big Bang (en haut, Late Route) - ne correspondent pas aux estimations des observations de l'univers primitif (Early Route). Les estimations des fluctuations de la luminosité de la surface sont les deuxièmes à partir du haut du segment supérieur du pont. Cliquez sur l'image pour l'agrandir. (Graphique par Andi James/STScI et Chung-Pei Ma/UC Berkeley)

"Pour mesurer les distances des galaxies jusqu'à 100 mégaparsecs, c'est une méthode fantastique", a déclaré le cosmologue Chung-Pei Ma, professeur Judy Chandler Webb en sciences physiques à l'Université de Californie à Berkeley et professeur d'astronomie et de physique. "C'est le premier article qui rassemble un grand ensemble homogène de données, sur 63 galaxies, dans le but d'étudier H-naught à l'aide de la méthode SBF."

Ma dirige l'enquête MASSIVE sur les galaxies locales, qui a fourni des données pour 43 des galaxies – les deux tiers de celles utilisées dans la nouvelle analyse.

Les données sur ces 63 galaxies ont été assemblées et analysées par John Blakeslee, astronome du NOIRLab de la National Science Foundation. Il est le premier auteur d'un article maintenant accepté pour publication dans Le Journal d'Astrophysique qu'il a co-écrit avec son collègue Joseph Jensen de l'Utah Valley University à Orem. Blakeslee, qui dirige le personnel scientifique qui soutient les observatoires optiques et infrarouges de la NSF, est un pionnier dans l'utilisation du SBF pour mesurer les distances aux galaxies, et Jensen a été l'un des premiers à appliquer la méthode aux longueurs d'onde infrarouges. Les deux ont travaillé en étroite collaboration avec Ma sur l'analyse.

« Toute l'histoire de l'astronomie est, dans un sens, l'effort pour comprendre l'échelle absolue de l'univers, qui nous renseigne ensuite sur la physique », a déclaré Blakeslee, évoquant le voyage de James Cook à Tahiti en 1769 pour mesurer un transit de Vénus pour que les scientifiques puissent calculer la vraie taille du système solaire. « La méthode SBF est plus largement applicable à la population générale de galaxies évoluées dans l'univers local, et certainement si nous obtenons suffisamment de galaxies avec le télescope spatial James Webb, cette méthode a le potentiel de donner la meilleure mesure locale de la constante de Hubble. "

Le télescope spatial James Webb, 100 fois plus puissant que le télescope spatial Hubble, devrait être lancé en octobre.

Galaxies elliptiques géantes

La constante de Hubble est une pomme de discorde depuis des décennies, depuis qu'Edwin Hubble a mesuré pour la première fois le taux d'expansion locale et a trouvé une réponse sept fois trop grande, ce qui implique que l'univers était en fait plus jeune que ses étoiles les plus anciennes. Le problème, alors et maintenant, réside dans la localisation des objets dans l'espace qui donnent peu d'indices sur leur distance.

Les images du télescope spatial Hubble de galaxies elliptiques géantes comme celle-ci, NGC 1453, sont utilisées pour déterminer les fluctuations de luminosité de surface et estimer les distances de ces galaxies par rapport à la Terre. (Photo gracieuseté du Space Telescope Science Institute)

Au fil des ans, les astronomes sont passés à de plus grandes distances, en commençant par calculer la distance aux objets suffisamment proches pour qu'ils semblent se déplacer légèrement, à cause de la parallaxe, lorsque la Terre tourne autour du soleil. Les étoiles variables appelées Céphéides vous emmènent plus loin, car leur luminosité est liée à leur période de variabilité, et les supernovae de type Ia vous emmènent encore plus loin, car ce sont des explosions extrêmement puissantes qui, à leur apogée, brillent aussi brillantes que toute une galaxie. Pour les céphéides et les supernovae de type Ia, il est possible de déterminer la luminosité absolue à partir de la façon dont elles changent au fil du temps, puis la distance peut être calculée à partir de leur luminosité apparente vue de la Terre.

La meilleure estimation actuelle de H0 provient de distances déterminées par des explosions de supernova de type Ia dans des galaxies lointaines, bien que des méthodes plus récentes - les retards causés par la lentille gravitationnelle des quasars éloignés et la luminosité des masers d'eau en orbite autour des trous noirs - donnent toutes à peu près le même nombre.

La technique utilisant les fluctuations de luminosité de surface est l'une des plus récentes et repose sur le fait que les galaxies elliptiques géantes sont anciennes et ont une population cohérente d'étoiles anciennes - principalement des étoiles géantes rouges - qui peuvent être modélisées pour donner une luminosité infrarouge moyenne sur toute leur surface. Les chercheurs ont obtenu des images infrarouges à haute résolution de chaque galaxie avec la caméra à grand champ 3 du télescope spatial Hubble et ont déterminé à quel point chaque pixel de l'image différait de la "moyenne" - plus les fluctuations sont douces sur l'ensemble de l'image, plus le galaxie, une fois les corrections apportées aux défauts comme les régions brillantes de formation d'étoiles, que les auteurs excluent de l'analyse.

Ni Blakeslee ni Ma n'ont été surpris que le taux d'expansion soit proche de celui des autres mesures locales. Mais ils sont également confondus par le conflit flagrant avec les estimations de l'univers primitif – un conflit qui, selon de nombreux astronomes, signifie que nos théories cosmologiques actuelles sont fausses, ou du moins incomplètes.

Les extrapolations de l'univers primitif sont basées sur la théorie cosmologique la plus simple - appelée matière noire froide lambda, ou CDM - qui n'utilise que quelques paramètres pour décrire l'évolution de l'univers. La nouvelle estimation enfonce-t-elle un enjeu au cœur du MDP ?

"Je pense que cela pousse cet enjeu un peu plus", a déclaré Blakeslee. « Mais il (CDM) est toujours vivant. Certains pensent, face à toutes ces mesures locales, (que) les observateurs se trompent. Mais il devient de plus en plus difficile de faire cette affirmation - il faudrait qu'il y ait des erreurs systématiques dans la même direction pour plusieurs méthodes différentes : supernovae, SBF, lentille gravitationnelle, masers à eau. Donc, à mesure que nous obtenons des mesures plus indépendantes, cet enjeu va un peu plus loin. »

Ma se demande si les incertitudes que les astronomes attribuent à leurs mesures, qui reflètent à la fois des erreurs systématiques et des erreurs statistiques, sont trop optimistes, et que les deux plages d'estimations peuvent peut-être encore être conciliées.

« Le jury est sorti », a-t-elle déclaré. «Je pense que c'est vraiment dans les barres d'erreur. Mais en supposant que les barres d'erreur de tout le monde ne soient pas sous-estimées, la tension devient inconfortable.

En fait, l'un des géants du domaine, l'astronome Wendy Freedman, a récemment publié une étude fixant la constante de Hubble à 69,8 ± 1,9 km/sec/Mpc, bouleversant encore plus les eaux. Le dernier résultat d'Adam Riess, un astronome qui a partagé le prix Nobel de physique 2011 pour la découverte de l'énergie noire, rapporte 73,2 ± 1,3 km/sec/Mpc. Riess était boursier postdoctoral Miller à l'UC Berkeley lorsqu'il a effectué cette recherche, et il a partagé le prix avec l'UC Berkeley et le physicien du Berkeley Lab, Saul Perlmutter.

Galaxies MASSIVES

La nouvelle valeur de H0 est un sous-produit de deux autres relevés de galaxies proches - en particulier, le relevé MASSIVE de Ma, qui utilise des télescopes spatiaux et terrestres pour étudier de manière exhaustive les 100 galaxies les plus massives à environ 100 Mpc de la Terre. Un objectif majeur est de peser les trous noirs supermassifs au centre de chacun.

Une autre image de la galaxie elliptique géante NGC1453, prise par Pan-STARRS, le télescope panoramique et le système de réponse rapide de l'observatoire Haleakala sur l'île de Maui à Hawaï.

Pour ce faire, des distances précises sont nécessaires et la méthode SBF est la meilleure à ce jour, a-t-elle déclaré. L'équipe d'enquête MASSIVE a utilisé cette méthode l'année dernière pour déterminer la distance d'une galaxie elliptique géante, NGC 1453, dans la constellation du ciel austral d'Eridan. En combinant cette distance, 166 millions d'années-lumière, avec des données spectroscopiques étendues des télescopes Gemini et McDonald - qui ont permis aux étudiants diplômés de Ma Chris Liepold et Matthew Quenneville de mesurer les vitesses des étoiles près du centre de la galaxie - ils ont conclu que NGC 1453 a un trou noir central avec une masse près de 3 milliards de fois celle du soleil.

Pour déterminer H0, Blakeslee a calculé les distances SBF de 43 des galaxies du relevé MASSIVE, sur la base de 45 à 90 minutes de temps d'observation HST pour chaque galaxie. Les 20 autres provenaient d'une autre étude utilisant le HST pour imager de grandes galaxies, en particulier celles dans lesquelles des supernovae de type Ia ont été détectées.

La plupart des 63 galaxies ont entre 8 et 12 milliards d'années, ce qui signifie qu'elles contiennent une importante population d'anciennes étoiles rouges, qui sont essentielles à la méthode SBF et peuvent également être utilisées pour améliorer la précision des calculs de distance. In the paper, Blakeslee employed both Cepheid variable stars and a technique that uses the brightest red giant stars in a galaxy — referred to as the tip of the red giant branch, or TRGB technique — to ladder up to galaxies at large distances. They produced consistent results. The TRGB technique takes account of the fact that the brightest red giants in galaxies have about the same absolute brightness.

“The goal is to make this SBF method completely independent of the Cepheid-calibrated Type Ia supernova method by using the James Webb Space Telescope to get a red giant branch calibration for SBFs,” he said.

“The James Webb telescope has the potential to really decrease the error bars for SBF,” Ma added. But for now, the two discordant measures of the Hubble constant will have to learn to live with one another.

“I was not setting out to measure H0 it was a great product of our survey,” she said. “But I am a cosmologist and am watching this with great interest.”

Co-authors of the paper with Blakeslee, Ma and Jensen are Jenny Greene of Princeton University, who is a leader of the MASSIVE team, and Peter Milne of the University of Arizona in Tucson, who leads the team studying Type Ia supernovae. The work was supported by the National Aeronautics and Space Administration (HST-GO-14219, HST-GO-14654, HST GO-15265) and the National Science Foundation (AST-1815417, AST-1817100).


No, Black Holes Don't Suck Everything Into Them

Illustration of a black hole tearing apart and devouring a star. Contrary to most popular . [+] representations, the overwhelming majority of matter accreted by the black hole or otherwise brought into its vicinity will not be devoured and swallowed, but rather accelerated and ejected. Black holes are messy eaters, and are practically never members of the 'clean plate' club.

There are no classes of object in our Universe more extreme than black holes. With so much mass present in such a tiny volume of space, they create a region around them where the curvature of space is so strong that nothing — not even light — can escape from its gravity once a certain boundary is crossed. That boundary is known as the event horizon, and anything from outside the event horizon that crosses inside will never get out.

This has led to a picture that most of us have in our heads about black holes that's prevalent but incorrect: one where black holes suck all the matter from outside their event horizons into them. We think of black holes as cosmic vacuum cleaners, consuming everything that dares to approach their vicinity. Even though NASA itself has released videos illustrating this effect, it's a complete falsehood. Black holes don't suck, after all.

It's easy to see how you'd think black holes would suck everything into them. Gravity is an attractive force, and black holes are the greatest collection of mass in a small volume of space you can possibly achieve. They are the densest cosmic monstrosities found in the entire Universe. When a massive object gets close to a black hole, it's easy to intuit what you think should happen.

  1. An object approaches a black hole,
  2. the tidal forces tear it apart into streams,
  3. the black hole's gravity attracts all of the stream-like matter,
  4. and then swallows it all, leaving no trace behind.

But this is perhaps the greatest cosmic misconception about black holes of all. While black holes do have event horizons, and while anything that crosses the event horizon can never get out, black holes aren't the great cosmic devourers we make them out to be. Instead, they're the messiest eaters imaginable.

A black hole is famous for absorbing matter and having an event horizon from which nothing can . [+] escape,and for cannibalizing its neighbors. But there isn't any 'sucking' going on to cause it, simply the disruption of matter and an occasional infall of material.

Rayons X : NASA/CXC/UNH/D.Lin et al, Optique : CFHT, Illustration : NASA/CXC/M.Weiss

Don't think of a vacuum cleaner when you think of black holes. Instead, it's far more accurate — and far more fun, as I alluded to in my Brain Bar talk in Hungary — to think of black holes as giant cosmic Cookie Monsters.

If you've ever seen Cookie Monster get his hands on cookies, you'll know what I'm talking about. Sure, every cookie in the nearby vicinity will find its way into the area near Cookie Monster's mouth. The cookies get funneled inside towards it. But the overwhelming majority of the cookie matter that approaches the mouth of Cookie Monster won't wind up getting devoured instead, it gets spit out in all directions, having been accelerated by a variety of chaotic forces. If you've had a child (or been one) since the 1970s, you've probably seen it in action for yourself.

While a casual observer might think that Cookie Monster devours every last crumb of every cookie . [+] that dares to approach his vicinity, a careful observer will note that practically no cookie particles wind up remaining in his mouth. He's an extremely messy eater who ejects practically every particle of matter that he attempts to devour, very similar to black holes in that regard.

This might puzzle you, but let's think about it a little more deeply, starting with planet Earth. How would you respond if you were asked the question, "does the Earth suck everything into it?"

Of course, the answer is pretty obviously "no." Earth simply has gravity that attracts things to it, distorting the fabric of space around it and altering the paths of the objects that pass nearby. If those objects happen to strike the Earth — hitting the atmosphere, oceans, or surface of our planet — they'll fall into (or onto) our world, but if not, they'll escape from our gravitational pull. It's a pretty straightforward exercise in both Newton's and Einstein's gravity to show that this is the case, and it agrees thoroughly with what we observe as far as spaceborne objects hitting or missing the Earth.

Instead of an empty, blank, three-dimensional grid, putting a mass down causes what would have been . [+] 'straight' lines to instead become curved by a specific amount. In General Relativity, we treat space and time as continuous, but all forms of energy, including but not limited to mass, contribute to spacetime curvature. If we were to replace Earth with a denser version, up to and including a singularity, the spacetime deformation shown here would be identical only inside the Earth itself would a difference be notable.

Christopher Vitale of Networkologies and the Pratt Institute

Now, let's imagine the same exact puzzle, only this time, let's replace the real, physical planet Earth with a black hole that's exactly the same mass. Instead of taking up the volume of Earth, it would create an event horizon occupying a volume of space a little less than 2 cm in diameter.

Here's the thing. If you examine the fabric of spacetime, you'll find that outside of the volume that marked the boundary of Earth's atmosphere when we looked at our planet as it is today, the curvature of space is identical whether you replace Earth with a black hole or not. All the objects that would miss planet Earth will still miss this black hole that's the same mass as planet Earth. There is no additional sucking force at all. In fact, many of the objects that would have hit Earth previously will now miss the black hole. Only the rare objects that cross the event horizon — a mere 2 cm across (as opposed to

12,700 km for the actual Earth) — will get swallowed.

Both inside and outside the event horizon, space flows like either a moving walkway or a waterfall, . [+] depending on how you want to visualize it. At the event horizon, even if you ran (or swam) at the speed of light, there would be no overcoming the flow of spacetime, which drags you into the singularity at the center. Outside the event horizon, though, other forces (like electromagnetism) can frequently overcome the pull of gravity, causing even infalling matter to escape.

Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

This line of reasoning doesn't just apply to Earth-mass black holes, but all black holes in the Universe. A black hole that's the mass of the Sun will only be a few kilometers in diameter: smaller than any actual star, white dwarf, planet, or even neutron star in existence. The black hole at the center of the Milky Way, despite weighing in at 4 million Suns, will only be about 18 times the diameter of our Sun itself.

When you consider how big space actually is, and how much mass black holes actually have, you start to realize that event horizons are tiny. Yes, they have a lot of gravitational pull on the space in their vicinity, but that just causes the matter around them to accelerate rapidly. Believe it or not, that actually contributes to black holes devouring less matter than they would if only isolated, individual particles fell into it.

An illustration of an active black hole, one that accretes matter and accelerates a portion of it . [+] vers l'extérieur en deux jets perpendiculaires, est un excellent descripteur du fonctionnement des quasars. The matter that falls into a black hole, of any variety, will be responsible for additional growth in both mass and event horizon size for the black hole. Despite all the misconceptions out there, however, there is no 'sucking in' of external matter.

In the real Universe, you see, it isn't isolated particles that represent the majority of mass that interacts with a black hole. Instead, the two most common snacks for a black hole are either stars or gas clouds.

A typical gas cloud in space is much larger than our Solar System is, with many spanning multiple light years in size, while a star that approaches a black hole will find itself spaghettified, or stretched into a long, thin strand aligned with the direction of the black hole. By time either of these options reach the event horizon of the black hole itself, they're many, many times the size of the black hole's event horizon. They're also stretched in the direction approaching the black hole, compressed in the perpendicular direction, and heated, as particle-particle collisions can even cause the atoms inside to ionize and break up into free electrons and nuclei.

This artist’s impression depicts a Sun-like star being torn apart by tidal disruption as it nears a . [+] black hole. For black holes like the type at our galaxy's center, tidal forces close to the event horizon can be enormous, and sufficient to not only spaghettify the infalling matter, but to cause it to accelerate to relativistic (near-light) speeds. Black holes that are feeding on matter have been observed to emit light across a wide variety of wavelengths, from long-wavelength radio light to ultra-energetic X-rays and everything in between.

ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser

Sure, if some particle falls into the black hole's event horizon, which some of the matter will inevitably do, it adds to the black hole's mass, making it larger. But if a particle misses the event horizon itself and simply approaches near the black hole, it's going to experience a tremendous acceleration instead. A charged particle in motion creates a magnetic field, and magnetic fields are spectacular at changing the direction of every other charged particle around them.

In particular, these particles will heat up, accelerate, emit light (in the form of cyclotron or synchrotron radiation), and will produce bipolar jets perpendicular to the plane of the black hole's (or the accretion flow's) rotation.

The supermassive black hole at the center of our galaxy, Sagittarius A*, flares brightly in X-rays . [+] whenever matter is devoured. Dans des longueurs d'onde de lumière plus longues, de l'infrarouge à la radio, nous pouvons voir les étoiles individuelles dans cette partie la plus interne de la galaxie. On rare occasion, we could even (in principle) track a star being devoured, and then watch the radio emission that ensues.

X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Considering that we've only seen our first image of a black hole's event horizon a few months ago, you might think these arguments are completely theoretical. Not so! We actually have an incredible amount of observational evidence to support this picture.

  • Black holes within our own galaxy appear to turn on-and-off in fast, incredible bursts of high energy emission: microquasars.
  • The black hole at the center of the Milky Way appears to flare up on random occasions, emitting bursts of X-ray light due to passing, infalling, accelerating matter.
  • Supermassive black holes at the centers of other galaxies — many of which are thousands of times the mass of our own supermassive black hole — can be active, emitting tremendous amounts of energy due to their acceleration and emission of matter and energy in exactly this predictable fashion.

We can often find evidence of this in many different wavelengths of light, even including visible signatures and jets in many instances.

There is a black hole at the center of this galaxy (M87) that is incredibly large: 6.5 billion solar . [+] masses. However, its physical extent is only about one light-day across (a few times the size of Pluto's orbit), meaning that much of the matter that falls towards it gets accelerated and ejected, rather than devoured. The 5,000 light-year long jet shown here is a result of those accelerated, ejected particles emitting visible light.

But whether it comes from asteroids, planets, stars, or hot or cold gas, most of the infalling matter doesn't go into feeding the black holes that attracted them in the first place. Instead, just like when Cookie Monster eats a cookie, only a tiny fraction actually makes it past the boundary of the event horizon.

Due to the intense gravitational forces and the tremendous size mismatch between the relatively tiny black holes and the large clumps of matter that feed them, the vast majority of infalling matter finds itself spit back out in an intense, violent flurry. It's estimated that, contrary to the popular picture, upwards of 90% of infalling matter will never make it inside a black hole at all. Instead, it's spewed back out into the outer regions of the galaxy, where it can fuel the formation of new stars and return to the interstellar medium once again.

Un trou noir se nourrissant d'un disque d'accrétion. C'est le frottement, l'échauffement et l'interaction des charges. [+] particles in motion creating electromagnetic forces that can funnel mass inside the event horizon. But at no point does a black hole exert a sucking force just a standard, run-of-the-mill gravitational one.

Mark Garlick (Université de Warwick)

The fact of the matter is that black holes aren't sucking anything in there's no force that a black hole exerts that a normal object (like a moon, planet, or star) doesn't exert. In the end, it's all just gravity. The biggest difference is that black holes are denser than most objects, occupying a much smaller volume of space, and capable of being far more massive than any other single object.

But matter is charged, accretion disks and flows are real, generate magnetic fields, and accelerate most of the infalling matter away from the event horizon itself. If you've ever had to deal with a young child who eats a quarter of their food while spilling the rest on their faces, the table and the floor, cheer up. You can always comfort yourself with this knowledge: at least they're doing much better than a black hole.


Supermassive black holes may be lurking everywhere in the universe

A near-record supermassive black hole discovered in a sparse area of the local universe indicate that these monster objects — this one equal to 17 billion suns — may be more common than once thought, according to UC Berkeley astronomers.

A sky survey image of the massive galaxy NGC 1600, and a Hubble Space Telescope near-infrared closeup of the bright center of the galaxy where the 17-billion-solar-mass black hole — or binary black hole — resides. Digitized Sky Survey (DSS), STScI/AURA, Palomar/Caltech, UKSTU/AAO, and A. Quillen (University of Rochester).

Until now, the biggest supermassive black holes — those with masses at or near 10 billion times that of our sun — have been found at the cores of very large galaxies in regions loaded with other large galaxies. The current record holder, discovered in the Coma Cluster by the UC Berkeley team in 2011, tips the scale at 21 billion solar masses and is listed in the Guinness Book of World Records.

The newly discovered black hole is in a galaxy, NGC 1600, in the opposite part of the sky from the Coma Cluster in a relative desert, said lead discoverer Chung-Pei Ma, a UC Berkeley professor of astronomy and head of the Massive Survey, a study of the most massive galaxies in the local universe with the goal of understanding how galaxies form and grow supermassive. While finding a gigantic black hole in a massive galaxy in a crowded area of the universe is to be expected — like running across a skyscraper in Manhattan — it seemed less likely they could be found in the universe’s small towns.

“Rich groups of galaxies like the Coma Cluster are very, very rare, but there are quite a few galaxy groups the size of NGC 1600 and its satellites,” Ma said. “So the question now is, ‘Is this the tip of an iceberg?’ Maybe there are a lot more monster black holes out there that don’t live in a skyscraper in Manhattan, but in a tall silo somewhere in the Midwestern plains.”

While the black hole discovered in 2011 in the galaxy NGC 4889 in the Coma Cluster was estimated to have an upper limit of 21 billion solar masses, its range of possible masses was large: between 3 billion and 21 billion suns. The 17-billion-solar-mass estimate for the central black hole in NGC 1600 is much more precise, with a range (standard deviation) of 15.5 to 18.5 billion solar masses.

Interestingly, the stars around the center of NGC 1600 are moving as if the black hole were a binary. Binary black holes are expected to be common in large galaxies, since galaxies are thought to grow by merging with other galaxies, each of which would presumably bring a central black hole with it. These black holes would likely sink to the core of the new and larger galaxy and, after an orbital dance, merge with the emission of gravitational waves. The proposed Evolved Laser Interferometer Space Antenna, or eLISA, is designed to detect gravitational waves produced by the merger of massive black holes, while other groups are looking for evidence of gravitational waves from massive black hole mergers in nanosecond glitches in the precisely timed flashes of millisecond pulsars.

Ma and her colleagues will report the discovery of the black hole, which is located about 200 million light-years from Earth in the direction of the constellation Eridanus, in the April 6 issue of the journal Nature.

The massive galaxy NGC 1600, which hosts a supermassive black hole — or a pair of black holes — at its center. (Gemini Observatory/AURA image)

In search of quasar remnants

Black holes form when matter becomes so dense that not even light can escape its gravitational pull. In the early universe, when gas was abundant, many black holes grew to become extremely massive by swallowing it up, emitting immense amounts of energy. Looking back in time at the distant universe, these supermassive black holes appear as very bright quasars. As astronomers look closer to Earth, however, they see galaxies with little gas – it’s already turned into stars – and no quasars. The most massive of these local galaxies may, however, house old quasars at their cores. Ma says that the monster black holes her team discovered in 2011 in NGC 4889 and NGC 3842, each weighing about 10 billion solar masses, may be quiescent quasars.

Because NGC 1600 is an old galaxy with little new star formation, Ma suspects that it, too, may harbor an ancient quasar that once blazed brightly but is now asleep. It would be the first discovered in a sparsely populated region of the local universe, she said.

“The brightest quasars, probably hosting the most massive black holes, don’t necessarily have to live in the densest regions of the universe,” she said. “NGC 1600 is the first very massive black hole that lives outside a rich environment in the local universe, and could be the first example of a descendent of a very luminous quasar that also didn’t live in a privileged site.”

The Massive Survey was funded in 2014 by the National Science Foundation to weigh the stars, dark matter and central black holes of the 100 most massive, nearby galaxies: those larger than 300 billion solar masses and within 350 million light-years of Earth, a region that contains millions of galaxies. Among its goals is to find the descendants of luminous quasars that may be sleeping unsuspected in large nearby galaxies.

The supermassive black hole found in NGC 1600 is one of the first successes of the project, proving the value of a systematic search of the night sky rather than looking only in dense areas like those occupied by large clusters of galaxies, such as the Coma and Virgo clusters.

The massive galaxy NGC 1600 is the biggest object in this image, which shows many galaxies as well as foreground stars (blue). (Image courtesy of the Digitized Sky Survey, STScI/AURA, Palomar/Caltech, and UKSTU/AAO)

Based on spectra taken by the Gemini Telescope of the center of NGC 1600, most stars inside the sphere of influence of the black hole – a region about 3,000 light-years in radius – are traveling on circular orbits around the black hole, with very few moving radially inward or outward. It is as if the stars on radial orbits towards the black hole have been slung away, Ma said.

This would be the case only if the closest stars were scattering off a black hole pair and slingshotted away, just as NASA slingshots space probes around other planets to move them more quickly through the solar system.

The black hole’s sphere of influence – the region within which the mass of visible stars equals the black hole mass – is much larger than the event horizon, the point of no return, which would be about eight times the size of Pluto’s orbit.

“Somehow the stars have been scared away from the center of very massive galaxies, and either were afraid to come in, or came in and got kicked out,” Ma said. The stellar orbits around the center of NGC 1600 indicate the latter, which “may be support for a binary black hole formed by a merger.”

Binary black holes and core scouring

Because stars flung out by a binary black hole sap angular momentum from the orbiting pair, the two move closer together and eventually merge. If NGC 1600 does contain a binary black hole with a combined mass of 17 billion suns, orbiting a fraction of a light-year apart, the ongoing pulsar timing arrays have a chance of picking up the emitted gravitational waves, Ma said.

Black holes bend light like a lens, distorting the stars behind them, as portrayed in this simulation. The black center represents the event horizon of the black hole, from which nothing, not even light, can escape. (Image courtesy of NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI) )

NGC 1600 suggests that a key characteristic of a galaxy with binary black holes at its core is that the central, star-depleted region is the same size as the sphere of influence of the central black hole pair, Ma said. A lack of stars close to the galactic center distinguishes massive galaxies from standard elliptical galaxies, which are brightest at the core.

“One dynamical footprint of a binary black hole is core scouring,” Ma said.

This signature will help Ma and her colleagues refine the MASSIVE Survey and more quickly find the supermassive black holes in Earth’s vicinity.

Ma’s co-authors are Jens Thomas of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany former UC Berkeley doctoral student Nicholas McConnell and John Blakeslee of the Dominion Astrophysical Observatory in Victoria, British Columbia former Miller Visiting Professor Jenny Greene of Princeton University and Ryan Janish of UC Berkeley’s Department of Physics.

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The Evolution of Quasars

Quasars provide compelling evidence that we live in an evolving universe—one that changes with time. They tell us that astronomers living billions of years ago would have seen a universe that is very different from the universe of today. Counts of the number of quasars at different redshifts (and thus at different times in the evolution of the universe) show us how dramatic these changes are (Figure 1). We now know that the number of quasars was greatest at the time when the universe was only 20% of its present age.

Figure 1. Relative Number of Quasars and Rate at Which Stars Formed as a Function of the Age of the Universe: An age of 0 on the plots corresponds to the beginning of the universe an age of 13.8 corresponds to the present time. Both the number of quasars and the rate of star formation were at a peak when the universe was about 20% as old as it is now.

As you can see, the drop-off in the numbers of quasars as time gets nearer to the present day is quite abrupt. Observations also show that the emission from the accretion disks around the most massive black holes peaks early and then fades. The most powerful quasars are seen only at early times. In order to explain this result, we make use of our model of the energy source of the quasars—namely that quasars are black holes with enough fuel to make a brilliant accretion disk right around them.

The fact that there were more quasars long ago (far away) than there are today (nearby) could be explained if there was more material available to be accreted by black holes early in the history of the universe. You might say that the quasars were more active when their black holes had fuel for their “energy-producing engines.” If that fuel was mostly consumed in the first few billion years after the universe began its expansion, then later in its life, a “hungry” black hole would have very little left with which to light up the galaxy’s central regions.

In other words, if matter in the accretion disk is continually being depleted by falling into the black hole or being blown out from the galaxy in the form of jets, then a quasar can continue to radiate only as long as new gas is available to replenish the accretion disk.

In fact, there was more gas around to be accreted early in the history of the universe. Back then, most gas had not yet collapsed to form stars, so there was more fuel available for both the feeding of black holes and the forming of new stars. Much of that fuel was subsequently consumed in the formation of stars during the first few billion years after the universe began its expansion. Later in its life, a galaxy would have little left to feed a hungry black hole or to form more new stars. As we see from Figure 1 both star formation and black hole growth peaked together when the universe was about 2 billion years old. Ever since, both have been in sharp decline. We are late to the party of the galaxies and have missed some of the early excitement.

Observations of nearer galaxies (seen later in time) indicate that there is another source of fuel for the central black holes—the collision of galaxies. If two galaxies of similar mass collide and merge, or if a smaller galaxy is pulled into a larger one, then gas and dust from one may come close enough to the black hole in the other to be devoured by it and so provide the necessary fuel. Astronomers have found that collisions were also much more common early in the history of the universe than they are today. There were more small galaxies in those early times because over time, as we shall see (in The Evolution and Distribution of Galaxies), small galaxies tend to combine into larger ones. Again, this means that we would expect to see more quasars long ago (far away) than we do today (nearby)—as we in fact do.


“The Galaxy With One Star” –A Profound Puzzle for Physics

“If this monster was at the center of the Milky Way it would likely make life on Earth impossible with the huge amounts of x-rays emanating from it,” said Christian Wolf, with the Australian National University (ANU) Research School of Astronomy and Astrophysics who made the momentous detection in 2018. “It would appear 10 times brighter than a full moon, an incredibly bright pin-point star that would almost wash out all of the stars in the sky. It’s probably 10,000 times brighter than the galaxy it lives in.” So bright, that it if we were approaching the galaxy in a starship, the object would so blind our view that we could not see the galaxy itself.

Monster devours a mass equivalent to our sun every two days

In May 2018, astronomers at ANU found the fastest-growing black hole known in the Universe, describing it as a monster that devours a mass equivalent to our sun every two days. The astronomers have looked back more than 12 billion years to the early dark ages of the Universe, when this supermassive black hole was estimated to be the size of about 20 billion suns with a one per cent growth rate every one million years.

The blaze from material swirling around this newly observed drainpipe into eternity — known officially as SMSS J215728.21-360215.1 — is as luminous as 700 trillion suns, according to Wolf and his collaborators.

Shining thousands of times more brightly than an entire galaxy

“This black hole is growing so rapidly that it’s shining thousands of times more brightly than an entire galaxy, due to all of the gases it sucks in daily that cause lots of friction and heat. The energy emitted from this newly discovered supermassive black hole, also known as a quasar, was mostly ultraviolet light but also radiated x-rays,” Wolf said.

The SkyMapper telescope at the ANU Siding Spring Observatory detected this light in the near-infrared, as the light waves had red-shifted over the billions of light years to Earth. “As the Universe expands, space expands and that stretches the light waves and changes their color,” Wolf said.

What came first? The black holes or the galaxies?

How it got so big so quickly after the Big Bang adds to a mystery about the origin of the supermassive black holes — often weighing in at more than a billion suns — that occupy the centers of galaxies, observes Dennis Overbye for the New York Times . “What came first?” he asks. “The black holes or the galaxies?”

“How they grew to such mass so early after the Big Bang is a profound puzzle for physics,” the authors say in their paper.

“These large and rapidly-growing blackholes are exceedingly rare, and we have been searching for them with SkyMapper for several months now. The European Space Agency’s Gaia satellite, which measures tiny motions of celestial objects, helped us find this supermassive black hole.”

Wolf said the Gaia satellite confirmed the object that they had found was sitting still, meaning that it was far away and it was a candidate to be a very large quasar. The discovery of the new supermassive black hole was confirmed using the spectrograph on the ANU 2.3 meter telescope to split colors into spectral lines.

“We don’t know how this one grew so large”

“We don’t know how this one grew so large, so quickly in the early days of the Universe,” Wolf said. “The hunt is on to find even faster-growing black holes.”

Wolf said as these kinds of black holes shine, they can be used as beacons to see and study the formation of elements in the early galaxies of the Universe. “Scientists can see the shadows of objects in front of the supermassive black hole,” he said. “Fast-growing supermassive black holes also help to clear the fog around them by ionising gases, which makes the Universe more transparent.”

Wolf said instruments on very large ground-based telescopes being built over the next decade would be able to directly measure the expansion of the Universe using these very bright black holes.

La Galaxie Quotidienne, Maxwell Moe , astrophysicist, NASA Einstein Fellow , University of Arizona via ANU and New York Times Science