Svarte hull er kanskje universets mest gåtefulle objekter. I midten av den svarte skyggen er massen konsentrert til et punkt uten utstrekning, sier relativitetsteorien.

De svarte hullene er spøkelser etter stjerner som har dødd. Eller de finnes i midten av galakser. Der har de vokst og spist siden tidenes morgen og blitt til monstre med opp til milliarder ganger solens masse.

I en studie kommer nå forskere med en ny hypotese om de mystiske objektene. Kan det ha seg at svarte hull får mer masse i takt med universets ekspansjon?

Det kan nemlig være en forklaring på hvorfor en del svarte hull er større enn ventet.

Gravitasjonsbølger åpnet nye dører

I 2015 fikk forskere en ny måte å studere de svarte objektene. Gravitasjonsbølger ble påvist for første gang. Observatorier på jorden fanget opp svingninger i rommet fra to svarte hull.

De svarte hullene sirklet rundt hverandre og smeltet sammen. Det laget bølger i selve rommet som omsider skylte over jorden.

Oppdagelsen ble gjort ved de to LIGO-observatoriene i USA.

Siden 2015 er det oppdaget 90 hendelser der svarte hull eller nøytronstjerner har krasjet. De er oppdaget ved LIGO og ved Virgo, et lignende observatorium i Italia. Tallet inkluderer en katalog på 35 hendelser som nettopp ble sluppet, ifølge en ny pressemelding fra LIGO.

Overraskende store

Forskere har stusset over den høye massen til noen av de svarte hullene som er oppdaget på denne måten. De er større enn de burde være. For eksempel ble det i 2020 meldt om at sorte hull på 66 og 85 solmasser smeltet sammen.

Størrelsen på et svart hull henger sammen med størrelsen på stjernen som døde og skapte det.

– LIGO observerer gravitasjonsbølger fra kollisjoner mellom sorte hull og kan bruke disse til å måle massen til de sorte hullene, forklarer fysiker Sigurd Kirkevold Næss på e-post til forskning.no.

Han er forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo.

– Mange av disse har masser som er større enn man hadde ventet på forhånd. Modellene våre for stjerneutvikling og supernovaeksplosjoner forutsa nemlig at massive stjerner maksimalt kunne produsere sorte hull på opp til cirka 45 solmasser.

Enda mer massive stjerner ville ha en så kraftig supernova at de ikke etterlot seg noe sort hull i det hele tatt, kalt parinstabilitetssupernova.

– Det kom derfor som en overraskelse at en stor andel av de sorte hullene LIGO observerer er mer massive enn denne grensen, forteller Næss.

Koblet til utvidelsen av universet?

Tilsynelatende må disse massive svarte hullene først ha smeltet sammen med ett eller flere andre, før det igjen traff på en ny kompanjong. Det kan hende.

- Massive sorte hull kan dannes ved at mindre sorte hull slår seg sammen. Beregninger tyder at dette kan skje ofte nok til å produsere så mange sorte hull som LIGO ser både i tette stjerneklynger og i akkresjonsdisken rundt supermassive sorte hull, skriver Næss.

Forskere bak en ny artikkel i tidsskriftet The Astrophysical Journal Letters har et annet forslag: Hva om svarte hull får mer masse i takt med universets utvidelse?

Forskerne kaller det for cosmological coupling, kosmologisk kobling.

Lyset er på et vis koblet til universets utvidelse, ifølge en pressemeldig om den nye studien. Lys som kommer fra galakser langt, langt unna ser rødere ut når det når oss. Bølgelengden er strukket ut på grunn av at universet har utvidet seg mens det reiste. Lyset har fått litt mindre energi.

Hva om det motsatte er tilfelle for svarte hull, undrer forskerne bak den nye artikkelen. Kan svarte hull vinne energi i takt med universets utvidelse?

Simulerte en million svarte hull

Forskerne simulerte en million forskjellige sammensmeltninger mellom svarte hull. De sammenlignet resultatet med observasjoner.

Når forskerne koblet de simulerte svarte hullene til utvidelsen av universet, førte det til økt masse og flere kollisjoner.

– Vi fant ut at når vi inkluderte kosmologisk kobling i simuleringene, kunne vi få et godt samsvar med det LIGO og Virgo så. Dette viste at kosmologisk kobling er en enkel måte å forklare observasjonene på, forteller en av forskerne bak studien, Kevin Croker, på e-post til forskning.no.

Han er forsker ved University of Hawai'i i Mānoa.

Resultatet er vist i figuren under. Croker forklarer hva vi ser.

De svarte kryssene er faktiske observasjoner.

Det blå området er simuleringer av krasj mellom svarte hull dersom de er knyttet til universets utvidelse.

– Det blå området er det som skjer når du tegner små blå kryss på hvert sted som simuleringen forutsier. Det er så mange små blå kors at de går i ett.

Den oransje fargen er simuleringer av svarte hull som ikke er koblet til utvidelsen av universet.

– Den oransje regionen fanger egentlig ikke så mange av de svarte korsene godt. Den blå regionen gjør det. På denne måten støttes hypotesen vår av observasjonsdataene, skriver Croker.

Som en gummistrikk

Hvordan kan svarte hull eventuelt vokse i takt med universets utvidelse?

– Tenk på en gummistrikk, skriver Croker.

Når du strekker den ut mellom fingrene, blir den klar til å skytes av sted.

– Strikken inneholder da mer energi, energi som du tilførte når du strakk den.

– Einstein forteller oss at energi og masse er to sider av samme sak. Det svarte hullet er som gummistrikken og universet strekker den. Det svarte hullet reagerer med å bli mer energisk noe som er likt mer massivt.

Supermassive svarte hull

Et av spørsmålene som kosmologer funderer på, er hvordan supermassive svarte hull kunne bli så store allerede tidlig i universets historie. Her kan den nye hypotesen kanskje passe inn.

– Kosmologisk kobling gir en ekstra måte som supermassive svarte hull kan vokse seg massive og gjør deres eksistens i det tidlige universet enklere å forklare, skriver Croker.

Har kommet flere andre forslag

Sigurd Kirkevold Næss ved Universitetet i Oslo har lest den nye studien.

Han skriver på e-post til forskning.no at han først og fremst jobber med målinger, ikke med teori, men har noen tanker om studien.

Det stemmer at den høye massen til noen av de svarte hullene oppdaget med gravitasjonsbølger har vært uventet.

– Siden da har det kommet mange hypoteser om hvor disse massive sorte hullene kommer fra, og mange er plausible og godt motiverte.

Det er altså flere andre gode måter å forklare størrelsen på, enn at de svarte hullene vokser.

Designet i et ikke-ekspanderende univers

Svarte hull beskrives med matematikk. Ifølge pressemeldingen regner fysikere stort sett på svarte hull i et univers som ikke ekspanderer. Forskerne bak den nye studien mener at objektene kan oppføre seg annerledes i det ekte universet.

– Det tradisjonelle roterende svarte hullet, som kalles Kerr-modellen, kan ikke få ekstra masse i takt med universets ekspansjon fordi det var designet for å eksistere i et univers som ikke ekspanderer, skriver Croker på e-post til forskning.no.

– Det er bare et verktøy som eksisterer på papiret. Det er ikke hva som egentlig befinner seg der ute.

Er det forskjell på ekte svarte hull og de på papiret?

Næss skiver at det er flere forskjellige løsninger av Einsteins feltligninger som kan kalles sorte hull.

De to mest kjente er Shwartzchild svarte hull og Kerr svarte hull.

Shwartzchild svarte hull er evige, ikke-roterende og sitter i et tomt, statisk univers, forklarer Næss. Kerr svarte hull er det samme bortsett fra at de roterer.

– Ingen av disse passer helt med virkeligheten.

Ekte svarte hull dannes fra stjerner som kollapser og har derfor ikke vart evig. De befinner seg i et univers som utvider seg og ikke er tomt.

– Spørsmålet er da hvor forskjellige ekte sorte hull er fra de enkle matematiske løsningene vi bruker.

Svarte hull med mørk energi

De aller fleste fysikere mener at det ikke er noen praktisk forskjell mellom ekte sorte hull og for eksempel Kerr svarte hull, forteller Næss.

– En liten minoritet er uenige. Den mest kjente av sort hull-modellene fra dette undermiljøet kalles en gravastjerne, som er et objekt som ser ut som et vanlig sort hull utenfra, men som på innsiden består av en ball med mørk energi omgitt av et tynt skall med materie. Det er gravastjerner og lignende objekter Croker og co tar for seg i artikkelen sin.

Crocker skriver imidlertid på e-post at svarte hull som utvider seg ikke trenger å være mørk energi-objekter, slik som en gravastjerne, men at de kan være tradisjonelle svarte hull med singularitet og en hendelseshorisont.

Skeptisk

Næss er skeptisk til at svarte hull skal utvide seg, når rommet i nærheten av det svarte hullet ikke gjør det.

– Det er sant at universet som helhet utvider seg, men dette skjer ikke overalt. Rommet utvider seg ikke inni objekter som er gravitasjonelt bundet, slik som galakser. Og det er her alle de sorte hullene bor.

– Jeg er skeptisk til at et sort hull som er omgitt av hundre tusen lysår med rom som ikke utvider seg bryr seg om hva rommet enda lenger unna gjør.

En teori som ble jobbet frem av Stephen Hawking, sier at svarte hull faktisk krymper over ekstremt lang tid. Denne teorien har etter hvert fått mye støtte. Les mer om det her.

Men, det går så utrolig langsomt at vi må vente veldig mange ganger universets levetid for å se noen som helst effekt på vanlige sorte hull, forteller Næss.

Referanse:

Kevin S. Croker, Michael Zevin, Duncan Farrah, Kurtis A. Nishimura & Gregory Tarlé: «Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions», The Astrophysical Journal Letters, 3. november 2021.