Den hittills största sammanslagningen av svarta hål förbryllar astronomer
Sammanslagningen av mellanstora svarta hål gav upphov till gravitationsvågor som upptäcktes på jorden.
Deborah Ferguson, Karan Jani, Deirdre Shoemaker, Pablo Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration
Långt borta i rymdens djup spiralar två svarta hål mot varandra och smälter samman. Kraftfulla gravitationsvågor från denna dödsdans rusar genom kosmos tills deras vågor når tre gigantiska detektorer på jorden: två med det amerikanska Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) och Europas Virgodetektor i Italien.
Detektorerna har känt av dussintals sådana katastrofer under de senaste fem åren, men den 21 maj 2019 var annorlunda. Det var inte bara den kraftfullaste och mest avlägsna sammanslagningen som någonsin observerats, utan det resulterande svarta hålet tillhör också en klass av länge eftersökta medelstora svarta hål, rapporterar medlemmar av LIGO-Virgo-samarbetet idag i två nya studier. Det förbryllande är dock att de två svarta hålen som slogs samman är tyngre än väntat: Deras massor faller i en lucka där teoretiker anser att det är omöjligt att skapa ett svart hål via den vanliga vägen med en kollapsande stjärna.
Svarta hål av stjärnklass skapas vanligtvis när en stor stjärna får slut på sitt kärnbränsle och den kolossala motorn av ljus och värme stannar. Utan det yttre trycket kollapsar stjärnans yttre lager under gravitationen, vilket utlöser en kolossal supernova och lämnar efter sig ett svart hål. Men i de allra största stjärnorna är kollapsen ännu mer katastrofal och orsakar en termonukleär explosion som förstör stjärnan och inte lämnar något kvar. Teoretiskt sett innebär det att det borde finnas en gräns för massan av svarta hål vid cirka 65 solmassor.
Till och med maj 2019 stödde de sammanslagningar av svarta hål som upptäcktes av LIGO och Virgo till stor del den massgränsen. Sedan kom händelsen som kallas GW190521, som bara varade en tiondels sekund. Det upptäcktes inte av de vanliga algoritmerna som söker efter binära sammanslagningar (som vanligtvis varar flera gånger längre), utan fångades upp av en separat pipeline som letar efter ”saker som smäller”, säger Nelson Christensen, fysiker vid Cote d’Azur-observatoriet i Nice och medlem i LIGO-Virgo-teamet.
Trots att signalen var kort – bara fyra upp- och nedåtgående vågcykler – kunde teamet ändå analysera den och analysera dess amplitud, form och hur frekvensen förändrades över tiden. ”Den var mycket svår att tolka”, säger gruppmedlemmen Alessandra Buonanno, chef för Max Planck-institutet för gravitationsfysik (Albert Einstein-institutet). ”Vi tillbringade mycket tid med att övertyga oss själva om att lita på vad vi hade hittat.”
I två artiklar som publicerades i dag – en som beskriver upptäckten i Physical Review Letters och en som tolkar uppgifterna i The Astrophysical Journal Letters – säger det gemensamma LIGO-Virgo-teamet att den modell som bäst passar in på uppgifterna är att två svarta hål – med en vikt på cirka 66 och 85 solmassor – går samman till ett svart hål på 142 solmassor. De återstående åtta solmassorna skulle ha omvandlats till gravitationsvågsenergi. ”Det var betydligt större än något vi tidigare sett”, säger Christensen.
Ett svart hål med 142 solmassor placerar det omedelbart i en klass för sig själv. Medan astronomer länge har känt till mindre svarta hål och jättarna i galaktiska centra som består av miljoner eller miljarder solar, har de av medelstorlek – från 100 till 100 000 solmassor – varit påfallande frånvarande. Astronomer tror att de behövs som byggstenar för de supermassiva svarta hålen, och det finns indirekta bevis för deras existens, men detta kan vara den mest övertygande observationen hittills, även om den ligger precis i botten av intervallet. ”Det här är bara en antydan om att det finns något i det här området av massor”, säger astrofysikern Avi Loeb vid Harvard University, som inte var inblandad i studien.
Kanske mer intressant för astrofysikerna är ursprunget till de två svarta hålen som smälter samman. Det ljusare ligger precis på gränsen till massgapet, så det skulle mycket väl kunna ha bildats från en enda gigantiskt stor stjärna. Men 85 solmassor är svårt att förklara. ”Det är spännande eftersom det var oväntat”, säger Loeb. ”Massgapet var robust, men nu är dörren öppen för nya modeller.”
I sitt tolkningsdokument tittade teamet på många möjliga förklaringar. De svarta hålen skulle kunna vara primordiala och ha hängt kvar sedan den tidiga universums malström innan de första stjärnorna föddes. Eller så kan de ha varit små svarta hål, med en sammansmältning som förstorades av gravitationslinser. Eller kanske – mer exotiskt – kom krusningarna från kosmiska strängar, hypotetiska defekter i vakuumet som är kvar från big bang. Men ingen av dessa förklaringar passade lika bra in på data som ett par sammansmält tungviktare. Så teamet återgick till ”den goda gamla Occams rakkniv”, säger Christensen: Den enklaste förklaringen är förmodligen korrekt.
Loeb tror att tungviktarna troligen är ”multigenerationella”, där mindre svarta hål i täta stjärnbildningsområden går samman flera gånger för att producera massor över gränsen. Galaxer är ofta omgivna av täta klumpar av stjärnor som kallas globular clusters. Dessa kan innehålla hundratusentals gamla stjärnor, vilket är en idealisk grogrund för svarta hål. När de svarta hålen sjunker ner mot klotklustrens centrum ökar sannolikheten för att de ska slå sig samman med andra. ”Dessa miljöer är specialiserade, vilket är anledningen till att vi upptäcker dem först nu”, säger han, efter att LIGO och Virgo har upptäckt mer än 60 sammanslagningar.
Men klustren innehåller troligen svarta hål med olika massa, och skeva sammanslagningar ger upphov till asymmetriska explosioner som kan sparka ut det nya svarta hålet ur klustret med en hastighet på upp till 1 000 kilometer per sekund. För att kluster ska kunna vara barnkammare för svarta hål i massgapet måste rekylen vara låg och klustren måste vara tillräckligt massiva för att hindra dem från att fly, säger Loeb.
LIGO och Virgo håller på att uppgraderas och kommer att återuppta observationerna 2022 med ökad känslighet, vilket gör att de kan kartlägga tre gånger så mycket av kosmos. Att hitta fler sådana här tunga sammanslagningar kommer att ”lära oss om astrofysiken i sådana här stjärnkammare”, säger Loeb. ”Ju fler händelser vi har, desto fler ledtrådar om deras ursprung.”