Den hidtil mest massive fusion af sorte huller undrer astronomer
Sammenlægningen af mellemtunge sorte huller skabte gravitationsbølger, som blev opdaget på Jorden.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Langt væk i rummets dybder spiralerer to sorte huller mod hinanden og smelter sammen. Kraftige gravitationsbølger fra denne dødedans løber gennem kosmos, indtil deres krusninger når tre gigantiske detektorer på Jorden: to med det amerikanske Laser Interferometer Gravitationsbølgeobservatorium (LIGO) og Europas Virgo-detektor i Italien.
Detektorerne har registreret snesevis af sådanne katastrofer i løbet af de seneste fem år, men den 21. maj 2019 var anderledes. Ikke alene var det den kraftigste og fjerneste fusion nogensinde set, men det resulterende sorte hul tilhører også en klasse af længe eftersøgte mellemvægts-sorte huller, rapporterer medlemmer af LIGO-Virgo-samarbejdet i dag i to nye undersøgelser. Det er dog forvirrende, at de to sorte huller, der fusionerede, er tungere end forventet: Deres masser falder i et hul, hvor teoretikere mener, at det er umuligt at skabe et sort hul ad den sædvanlige vej via en kollapserende stjerne.
Sorte huller i stjerneklassen opstår typisk, når en stor stjerne løber tør for sit atombrændstof, og den kurrende motor af lys og varme stopper. Uden det ydre tryk kollapser stjernens ydre lag under tyngdekraften, hvilket udløser en kolossal supernova og efterlader et sort hul. Men i de allerstørste stjerner er sammenbruddet endnu mere katastrofalt, idet det forårsager en løbsk termonuklear eksplosion, der ødelægger stjernen og ikke efterlader noget tilbage. Teoretisk set betyder det, at der bør være en grænse for massen af sorte huller ved ca. 65 solmasser.
Til maj 2019 understøttede fusioner af sorte huller, der blev opdaget af LIGO og Virgo, i vid udstrækning denne massegrænse. Så kom begivenheden kendt som GW190521, som kun varede en tiendedel af et sekund. Den blev ikke opdaget af de sædvanlige algoritmer, der scanner efter binære fusioner (som typisk varer flere gange længere), men blev opfanget af en separat pipeline, der leder efter “ting, der går bang”, siger Nelson Christensen, der er fysiker ved Cote d’Azur-observatoriet i Nice og medlem af LIGO-Virgo-holdet.
Selv om signalet var kort – kun fire op- og nedadgående bølgecyklusser – kunne holdet stadig analysere det og analysere dets amplitude, dets form og hvordan dets frekvens ændrede sig over tid. “Det var meget vanskeligt at fortolke,” siger holdmedlem Alessandra Buonanno, direktør for Max Planck Institute for Gravitationsfysik (Albert Einstein Institute). “Vi brugte meget tid på at overbevise os selv om, at vi kunne stole på det, vi havde fundet.”
I to artikler, der er offentliggjort i dag – en der beskriver detektionen i Physical Review Letters og en der fortolker dataene i The Astrophysical Journal Letters – siger det fælles LIGO-Virgo-hold, at den model, der passer bedst til dataene, er to sorte huller – med en vægt på ca. 66 og 85 solmasser – der smelter sammen til et sort hul på 142 solmasser. De resterende otte solmasser ville være blevet omdannet til gravitationsbølgeenergi. “Det var ganske betydeligt større end noget andet, vi har set,” siger Christensen.
Et sort hul med 142 solmasser placerer det straks i en klasse for sig selv. Mens astronomer længe har kendt til mindre sorte huller og til giganterne i galaktiske centre, der består af millioner eller milliarder af sole, har de mellemstore huller – fra 100 til 100.000 solmasser – været påfaldende fraværende. Astronomerne mener, at de er nødvendige som byggesten til de supermassive sorte huller, og der er indirekte beviser for deres eksistens, men dette er måske den hidtil mest overbevisende observation, om end den ligger lige i bunden af rækken. “Dette er blot et hint om, at der findes noget i dette masseområde,” siger astrofysiker Avi Loeb fra Harvard University, som ikke var involveret i undersøgelsen.
Måske mere interessant for astrofysikere er oprindelsen af de to sorte huller, der fusionerer. Det lysere er lige på kanten af massekløften, så det kunne meget vel være dannet af en enkelt gigantisk stjerne. Men 85 solmasser er svært at bortforklare. “Det er spændende, fordi det var uventet,” siger Loeb. “Massekløften var robust, men nu er døren åben for nye modeller.”
I deres fortolkningsdokument har holdet kigget på mange mulige forklaringer. De sorte huller kunne være primordiale, idet de har hængt rundt siden det tidlige univers’ malstrøm, før de første stjerner blev født. Eller de kunne have været små sorte huller, med en fusion, der blev forstørret af gravitationslinser. Eller måske – mere eksotisk – kom krusningerne fra kosmiske strenge, hypotetiske defekter i vakuummet, der er tilbage fra big bang. Men ingen af disse forklaringer passede så godt til dataene som et par sammenflydende sværvægtere. Så holdet faldt tilbage på “den gode gamle Occams barberkniv”, siger Christensen: Den enkleste forklaring er sandsynligvis den rigtige.
Loeb mener, at sværvægterne sandsynligvis er “multigenerationelle”, hvor mindre sorte huller i tætte stjernedannelsesområder smelter sammen flere gange for at producere masser over grænsen. Galakser er ofte omgivet af tætte klumper af stjerner kaldet kugleformede klynger. Disse kan indeholde hundredtusindvis af gamle stjerner: ideelle grobund for sorte huller. Efterhånden som de sorte huller synker mod kuglehobeens centrum, er der større sandsynlighed for, at de fusionerer med andre. “Disse miljøer er specialiserede, og det er derfor, vi først finder dem nu,” siger han, efter at LIGO og Virgo har registreret mere end 60 fusioner.
Men klyngerne indeholder sandsynligvis sorte huller af forskellig masse, og skæve fusioner giver asymmetriske eksplosioner, der kan sparke det nye sorte hul ud af klyngen med op til 1000 kilometer i sekundet. For at klynger kan være børnehaver for sorte huller i massegabet, skal tilbageslagene være lave, og klyngerne skal være massive nok til at forhindre dem i at slippe væk, siger Loeb.
LIGO og Virgo bliver opgraderet og skal genstarte observationerne i 2022 med øget følsomhed, så de kan undersøge tre gange så meget af kosmos. Hvis vi finder flere af sådanne tunge fusioner, vil det “lære os om astrofysikken i sådanne stjerneskoler”, siger Loeb. “Jo flere begivenheder vi har, jo flere ledetråde om deres oprindelse.”