Massiivisin mustien aukkojen sulautuminen hämmentää tähtitieteilijöitä
Keskikokoisten mustien aukkojen sulautuminen herätti gravitaatioaaltoja, jotka havaittiin Maassa.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Kauas avaruuden syvyyksissä kaksi mustaa aukkoa spiraalimaisesti syöksyy toisiaan kohti ja sulautuu. Tuosta kuoleman tanssista syntyvät voimakkaat gravitaatioaallot kiitävät pitkin kosmosta, kunnes niiden aaltoilu saavuttaa kolme jättimäistä ilmaisinta maapallolla: kaksi yhdysvaltalaisessa Laser Interferometer Gravitational wave Observatory (LIGO) -observatoriossa (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory, LIGO) ja Euroopan Virgo-ilmaisimessa (Virgo Detector) Italiassa.
Havaitsimet ovat aistineet viimeisten viiden vuoden aikana kymmeniä vastaavia kataklyymejä, mutta 21.5.2019 tapahtuneesta oli erilainen. Se ei ollut ainoastaan voimakkain ja kaukaisin koskaan havaittu fuusio, vaan sen tuloksena syntynyt musta aukko kuuluu myös pitkään etsittyjen keskisuurten mustien aukkojen luokkaan, LIGO-Virgo-kollaboraation jäsenet raportoivat tänään kahdessa uudessa tutkimuksessa. On kuitenkin hämmentävää, että kaksi sulautunutta mustaa aukkoa ovat odotettua raskaampia: Niiden massat osuvat aukkoon, jossa teoreetikot uskovat, ettei mustaa aukkoa ole mahdollista synnyttää tavanomaista reittiä eli romahtavaa tähteä pitkin.
Tähti-luokan mustat aukot syntyvät tyypillisesti silloin, kun suurelta tähdeltä loppuu ydinpolttoaine ja valon ja lämmön pyörivä moottori pysähtyy. Ilman ulospäin suuntautuvaa painetta tähden ulommat kerrokset romahtavat painovoiman vaikutuksesta, mikä laukaisee valtavan supernovan ja jättää jälkeensä mustan aukon. Kaikkein suurimmissa tähdissä romahdus on vielä katastrofaalisempi, ja se aiheuttaa karkaavan lämpöydinräjähdyksen, joka tuhoaa tähden eikä jätä jälkeensä mitään. Teoreettisesti tämä tarkoittaa, että mustien aukkojen massan pitäisi olla rajana noin 65 auringon massan kohdalla.
Toukokuuhun 2019 asti LIGOn ja Virgon havaitsemat mustien aukkojen sulautumat tukivat suurelta osin tuota massan rajaa. Sitten tuli GW190521-niminen tapahtuma, joka kesti vain yhden sekunnin kymmenesosan. Sitä ei havaittu tavanomaisilla algoritmeilla, jotka etsivät kaksoismassojen sulautumia (jotka yleensä kestävät useita kertoja pidempään), vaan sen havaitsi erillinen putki, joka etsii ”asioita, jotka pamahtavat”, sanoo Nelson Christensen, Nizzassa sijaitsevan Cote d’Azur -observatorion fyysikko ja LIGO-Virgo-ryhmän jäsen.
Vaikka signaali oli lyhyt – vain neljä ylös- ja alaspäin suuntautuvaa aaltosykliä – ryhmä pystyi silti analysoimaan sen, analysoimaan sen amplitudin, muodon ja sen taajuuden muuttumisen ajan myötä. ”Sitä oli hyvin vaikea tulkita”, sanoo ryhmän jäsen Alessandra Buonanno, Max Planckin gravitaatiofysiikan instituutin (Albert Einstein -instituutti) johtaja. ”Vietimme paljon aikaa suostuttelemalla itseämme luottamaan siihen, mitä olimme löytäneet.”
Kahdessa tänään julkaistussa artikkelissa – toinen kuvaa havaintoa Physical Review Letters -lehdessä ja toinen tulkitsee tietoja The Astrophysical Journal Letters -lehdessä – yhteinen LIGO-Virgo -ryhmä sanoo, että malli, joka parhaiten sopii dataan, on kahden mustan aukon – joiden paino on noin 66 ja 85 auringon massaa – yhdistyminen 142 auringon kokoiseksi mustaksi aukoksi. Loput kahdeksan auringon massaa olisi muunnettu gravitaatioaaltoenergiaksi. ”Se oli aivan huomattavasti suurempi kuin mikään aiemmin näkemämme”, Christensen sanoo.
142 auringon massainen musta aukko nostaa sen heti omaan luokkaansa. Siinä missä tähtitieteilijät ovat jo pitkään tienneet pienemmistä mustista aukoista ja galaktisten keskusten jättiläisistä, jotka koostuvat miljoonista tai miljardeista Auringoista, keskikokoiset – 100-100 000 auringon massaiset – ovat puuttuneet silmiinpistävästi. Tähtitieteilijät uskovat, että niitä tarvitaan supermassiivisten mustien aukkojen rakennusaineiksi, ja niiden olemassaolosta on epäsuoria todisteita, mutta tämä saattaa olla tähän mennessä vakuuttavin havainto, vaikkakin aivan alhaalla. ”Tämä on vain vihje siitä, että jotain on olemassa tällä massa-alueella”, sanoo astrofyysikko Avi Loeb Harvardin yliopistosta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
Periaatteessa astrofyysikoita kiinnostaa enemmän kahden sulautuvan mustan aukon alkuperä. Kevyempi on aivan massakuilun huipulla, joten se on voinut hyvinkin muodostua yhdestä jättiläistähdestä. Mutta 85 auringon massaa on vaikea selittää. ”Se on jännittävää, koska se oli odottamatonta”, Loeb sanoo. ”Massakuilu oli vankka, mutta nyt ovi on auki uusille malleille.”
Tulkintapaperissaan ryhmä tarkasteli monia mahdollisia selityksiä. Mustat aukot voisivat olla alkukantaisia, jotka ovat roikkuneet varhaisen maailmankaikkeuden pyörteistä lähtien ennen ensimmäisten tähtien syntyä. Tai ne ovat voineet olla pieniä mustia aukkoja, joiden fuusio on suurentunut gravitaatiolinssin avulla. Tai ehkä – vielä eksoottisemmin – aaltoilu on peräisin kosmisista säikeistä, jotka ovat hypoteettisia tyhjiön vikoja, jotka ovat jääneet jäljelle alkuräjähdyksestä. Mikään näistä selityksistä ei kuitenkaan sopinut aineistoon yhtä hyvin kuin pari sulautuvaa raskassarjalaista. Niinpä ryhmä turvautui ”vanhaan kunnon Occamin partaveitseen”, Christensen sanoo: Yksinkertaisin selitys on luultavasti oikea.
Loeb uskoo, että raskassydämiset ovat luultavasti ”monisukupolvisia”, jolloin pienemmät mustat aukot tiheillä tähdenmuodostumisalueilla sulautuvat useita kertoja tuottaen raja-arvon ylittäviä massoja. Galakseja ympäröivät usein tiheät tähtijoukot, joita kutsutaan pallomaisiksi tähtijoukoiksi. Niissä voi olla satojatuhansia muinaisia tähtiä: ihanteellinen kasvualusta mustille aukoille. Kun mustat aukot vajoavat kohti pallomaisen tähtijoukon keskustaa, on todennäköisempää, että ne sulautuvat toisten kanssa. ”Nämä ympäristöt ovat erikoistuneita, minkä vuoksi löydämme niitä vasta nyt”, hän sanoo, sen jälkeen kun LIGO ja Virgo ovat havainneet yli 60 sulautumaa.
Mutta klustereissa on todennäköisesti mustia aukkoja, joiden massat vaihtelevat, ja yksipuoliset sulautumat tuottavat epäsymmetrisiä räjähdyksiä, jotka voivat potkaista uuden mustan aukon ulos klusterista jopa 1000 kilometrin sekuntinopeudella. Jotta klusterit voisivat olla massakuilussa olevien mustien aukkojen kasvattamoja, rekyylien on oltava vähäisiä ja klustereiden on oltava tarpeeksi massiivisia, jotta ne eivät pääse karkaamaan, Loeb sanoo.
LIGOa ja Virgoa päivitetään, ja niiden on määrä aloittaa havainnot uudestaan vuonna 2022 suuremmalla herkkyydellä, minkä ansiosta ne voivat tutkia kolme kertaa suuremman osan kosmoksesta. Löytämällä lisää tällaisia raskasrakenteisia sulautumia ”opimme tällaisten tähtien kasvattamoiden astrofysiikasta”, Loeb sanoo. ”Mitä enemmän tapahtumia meillä on, sitä enemmän vihjeitä niiden alkuperästä.”