Den nye studien viser hvor og hvordan svarte hull møtes i universet. Og den gir den første mulige løsningen på en spektakulær oppdagelse: en kollisjon mellom to svarte hull som ble observert i 2019.

Løsningen er funnet ved hjelp av gravitasjonsbølger. Den innebærer et kaotisk trekantdrama i en gigantisk gasskive og endrer forståelsen av hvordan svarte hull oppfører seg. Men det kommer vi tilbake til.

– Elliptiske svarte hull-kollisjoner har blitt undersøkt teoretisk i mer enn ti år. De ble alltid betraktet som sjeldne og eksotiske begivenheter. Så det er fascinerende at vi nå kan observere slik begivenheter og få ytterligere innsikt i hva som ligger bak, sier Roman Gold, assisterende professor i fysikk ved Syddansk Universitet. Han har ikke vært involvert i arbeidet med studien.

– Og hvem vet? Kanskje vil det bli funnet enda flere scenarier. Med større datasett vil man være i stand til å fortelle hvor elliptiske kollisjoner oppstår, legger han til.

Et tredje svart hull skaper ødeleggelse for binære svarte hull

Svarte hull kan veie en milliard ganger mer enn solen, og de sluker alt som kommer i nærheten av dem – planeter, stjerner, ja, selv lyset.

De er et av de mest fascinerende fenomenene i universet, men vi vet fortsatt ikke spesielt mye om dem – særlig fordi de ikke sender ut lys, som fram til for noen få år siden var vår nesten eneste kilde til kunnskap om universet.

For astrofysikere er det fortsatt et stort spørsmål hvordan binære svarte hull blir til. Altså par av svarte hull som sirkler om hverandre i millioner eller milliarder av år før de braker sammen og blir til ett.

– Vi vet at et svart hull høyst sannsynlig formes når en stjerne dør. Men hvor og hvordan får du ett svart hull til å møte et annet? spør Johan Samsing.

– Skjer det ved at stjernepar kollapser. og begge blir til svarte hull. Er det i stjernehoper eller på en annen måte? Det er et av de helt store spørsmålene.

Det er spørsmål som astrofysikere vil ha svar på. Og det har Johan Samsing og kollegene hans greid. De har nå lagt en ny brikke i puslespillet som kanskje løser den siste delen av en gåte som astrofysikere har strevd med de siste årene.

De har nemlig vist at et tredje svart hull ofte utløser et kaos i «ekteskapet» mellom binære svarte hull.

Spektakulær oppdagelse i 2019 var en gåte

Det var i 2019 at astrofysikere gjorde en «spektakulær oppdagelse» med å observere gravitasjonsbølger.

Gravitasjonsbølger får selve universet til å bevege på seg, og milliarder av år senere kan det registreres på jorden.

Astrofysikerne observerte gravitasjonsbølger utløst av et par kolliderende svarte hull. Og da skjedde tre ting man ikke hadde tenkt var mulig, forklarer Johan Samsing:

1. Hvert av de svarte hullene veide omkring 80 solmasser. Det er langt mer enn hva man mener er fysisk mulig hvis de var skapt på en tradisjonell måte fra kollaps av stjerner. Da burde grensen ligge omkring 50 solmasser. – Det forteller oss at enten er forståelsen vår av hvordan svarte hull oppstår, mangelfull, eller så har universet funnet en måte å øke massene til svarte hull over tid. I modellen vår heller vi faktisk mest til den siste muligheten, sier Samsing.
2. Det kom kanskje også et lyssignal fra dem.
3. Gravitasjonsbølgene avslørte også at de svarte hullene ikke gikk i bane rundt hverandre i sirkler før de kolliderte. Det var første gang at man så binære svarte hull som ikke hadde en sirkelformet bane like før kollisjon. Det hadde man i mellomtiden betraktet som usannsynlig fordi Einsteins teorier forutsier at svarte hull alltid strever etter å bevege seg i sirkler.

– Nå skjedde alle de tre tingene samtidig. Spørsmålet var hvordan det er mulig å forme to svarte hull som er så tunge? Det blir sendt ut lys, og banene er ikke sirkulære når de kolliderer? Det må fortelle oss hvordan svarte hull skapes, sier Samsing.

Startet undring

Oppdagelsen i 2019 fikk Johan Samsing til å undre seg. Hvor og hvordan kan en slik kollisjon gå til? Det begynte han å regne på.

Det viste seg at svaret finnes i det innerste av en galakse. I sentrum av de fleste galakser er det et svart hull på flere millioner ganger solens masse som ofte er omgitt av en flat, roterende skive av gass (se illustrasjonen lenger nede).

I skiven kan det befinne seg mange mindre svarte hull som med tiden beveger seg nærmere sentrum og nærmere hverandre. Noen av dem danner par.

I et par år har astrofysikere visst at det både i gasskiver og stjernehoper ofte skjer det at et tredje svart hull braser inn i et par, forteller Johan Samsing.

– Jeg regnet ut at det i stjernehoper en sjelden gang kan skape så mye ødeleggelse at parets bane går fra å være sirkelformet til å bli elliptisk.

Og via gravitasjonsbølger forteller banens elliptiske vis om hvordan kollisjonen har skjedd. For gravitasjonsbølgenes kurve som kan måles på jorden, viser hvor sirkulær banen er.

I elliptiske baner veksler avstanden mellom de svarte hullene fra å være liten til å være stor, og det gjør at de gravitasjonsbølgene som sendes ut, har en annerledes kurve enn fra en sirkulær bane. Det er disse forskjellene man har kunnet måle fra landjorda.

Thomas Tauris, professor i teoretisk astrofysikk ved Aalborg universitet i Danmark, sier:

– Det viser seg at under visse antakelser kan skiven i aktive galakser kan være et sted der binære svarte hull får elliptiske baner.

– Et nytt og viktig aspekt i denne artikkelen er at gravitasjonsbølgestråling er tatt med i beregningene, legger Tauris til.

Kaotisk «trekantdrama» i en gasskive

Fenomenet blir også kalt for et kaotisk «trekantdrama», forteller Johan Samsing.

– Har du to svarte hull, vil gravitasjonsbølgene transportere energi ut fra systemet. Det vil bringe dem tettere sammen, noe som gjør at de kolliderer over tid, sier Samsing.

Men fordi «trekantdramaet» er forholdsvis sjeldent i kjente stjernehoper, var de hullene som ble observert i 2019, unike.

Tidligere beregninger var basert på at interaksjonen mellom de svarte hullene foregikk i tre dimensjoner.

– Så vi prøvde å anta at ting foregikk i 2D fordi en gasskive jo egentlig er flat, sier Samsing:

– Overraskende nok fant vi fram til at hvis «trekantdramaet» mellom de svarte hullene finner sted i en gasskive, er det over 100 ganger større sjanse for en ellipseformet kollisjon. Det betyr at om lag 50 prosent av alle kollisjoner i slike skiver kan være elliptiske.

Og den oppdagelsen passet godt på observasjonen fra 2019. Alt peker nå i retning av at de merkelige egenskapene astrofysikerne observerte, kan forklares hvis kollisjonen skjedde i en flat gasskive midt i en galakse.

– Den statistiske modellen forutsier at svarte hull-kollisjoner skjer på en annen måte i tynne skiver. Særlig hvis to svarte hull kommer tett på et tredje, er det mer sannsynlig at to svarte hull smelter sammen, mens de fortsatt interagerer med det tredje svarte hullet, sier Roman Gold:

– Det produserer mer elliptiske baner som fører til usedvanlige signaler vi kan fange opp.

Thomas Tauris nevner imidlertid at studien bygger på en rekke antakelser:

For eksempel om at baneplanet for de binære systemene er parallelt (stort sett ligger på linje) med skiven i den aktive galaksen. Men særlig antakelsen om at spinnaksene av de svarte hullene er parallelle med vektoren for rotasjonsmoment (se illustrasjonen). Disse antakelsene er ganske usikre, påpeker han.

– Spørsmålet er om disse beregningene bare er relevante for en liten del av de kolliderende svarte hullene som LIGO/Virgo har målt, sier Tauris.

– En del studier tyder på at over 90–95 prosent av alle oppdagelser kan forklares ut fra isolert binær stjerneutvikling. Men det er fortsatt for tidlig å konkludere.

Gravitasjonsbølger er et viktig redskap

Den nye studien viser at gravitasjonsbølger er et viktig et redskap når det handler om å få mer kunnskap om hvordan svarte hull oppstår og kolliderer.

Forskerne har vist at forskjellen i gravitasjonsbølgene er det viktige for å vurdere hvor i universet de svarte hullene kommer fra.

Og de har kommet fram til at det kan være enorm forskjell på de signalene som sendes ut fra svarte hull som kolliderer i flate gasskiver versus de svarte hullene i stjernesystemer.

Derfor vet vi nå at det er stor forskjell på hvordan svarte hull føres til kollisjon i de ulike områdene av universet.

– Det er spennende å finne ut hvordan universet vårt henger sammen. Noe av det mest fundamentale i universet vårt er romtiden, som var det konseptet Einstein introduserte med sin generelle relativitetsteori. Et svart hull representerer på mange måter, sammen med Big Bang, den mest ekstreme konsekvensen av rommet og tiden som et medium som kan deformeres når energi eller masse er til stede, sier Johan Samsing.

Og på sikt håper han at disse kollisjonene kan lære oss noe i fysiske lover.

– De har allerede gitt oss mye, takket være Einstein – for eksempel GPS – men kanskje er det mer i tillegg, sier han.

Og den eneste måten å finne ut det på holder på å se på ekstreme områder og begivenheter, slik som kollisjoner av svarte hull.

– Og det er første gang vi har kunnet gjøre det. Men det er forhåpentligvis veldig mye å lære.

Referanse:

J. Samsing mfl.: AGN as potential factories for eccentric black hole mergers, Nature, 2022. (Sammendrag) Doi.org/10.1038/s41586-021-04333-1

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.