To svarte hull slo seg sammen og skapte en forstyrrelse i romtiden som ble oppdaget fra jorden, 7 milliarder år senere.
To svarte hull slo seg sammen og skapte en forstyrrelse i romtiden som ble oppdaget fra jorden, 7 milliarder år senere.

Gravitasjonsbølger kan ha avslørt en ny klasse av sorte hull

To sorte hull med «forbudt» størrelse slo seg sammen og sendte ut de kraftigste gravitasjonsbølgene som registrert.

Publisert

To sorte hull sirklet tett før de smalt sammen. Kollisjonen skjedde da universet var halvparten så gammelt som det er nå. Det var lenge før vårt solsystem ble dannet.

Siden den gang har krusninger i romtiden bølget av gårde i lysets hastighet, som ringer på en vannoverflate.

I mai i fjor traff gravitasjonsbølgene jorden. Det er de kraftigste og eldste som er oppdaget. Tre observatorier, som er bygget nettopp for å oppdage dem, registrerte bølgene. Nå er funnet publisert.

Uventet funn

Gravitasjonsbølger ble for første gang påvist i 2015. Nok en gang ble Einsteins generelle relativitetsteori ettertrykkelig bevist.

Men ikke en gang Einstein trodde det skulle bli mulig å måle de ørsmå krusningene i romtiden. Likevel er det nå blitt gjort flere titalls ganger.

Det nye signalet som nådde oss i fjor, får likevel forskere til å klø seg i hodet.

En eller begge av de sorte hullene var større enn at de kan ha blitt dannet på vanlig vis.

Resultatet av sammenslåingen er også svært interessant, synes forskerne. De har nå en observasjon av et middels stort svart hull. Det er en klasse av sorte hull som er ventet å eksistere, men som har vært vanskelig å avdekke.

Mellomstore sorte hull

Stellare sorte hull er stjerner som har dødd og kollapset inn i seg selv. De har en masse på fem til noen titalls soler.

Supermassive sorte hull kjenner vi også godt til. Disse kolossene finnes i midten av de fleste galakser og kan ha en masse som er millioner, ja til og med milliarder av ganger så stor som massen til solen.

Men forskere tror det også finnes de som er i mellom. Hypotetiske middels store sorte hull, som er mellom 100 og 1000 ganger så tunge som solen.

Det er en slik luring som nå er avslørt, mener forskerne. Det sorte hullet skal ha vært 142 solmasser tungt. Og forskerne kom fram til at det ble født da to sorte hull på 66 og 85 solmasser danset tett til de traff.

- Det har vært indirekte bevis for sorte hull med middels masse, men dette er en reell observasjon av en hendelse som definitivt er over 100 solmasser, sier Nelson Christensen en av forskerne bak oppdagelsen, til New Scientist.

- Det er en bekreftelse på at slike svarte hull finnes.

Illustrasjon av gravitasjonsbølger da de to sorte hullene var nær ved å slå seg sammen.
Illustrasjon av gravitasjonsbølger da de to sorte hullene var nær ved å slå seg sammen.

«Forbudt» størrelse

Videre er størrelsen på de sorte hullene som krasjet en gåte for forskerne.

- Ut fra vår forståelse av hvordan stjerner utvikler seg, så forventer vi å finne sorte hull med enten mindre enn 65 solmasser eller mer enn 120 solmasser, men ingen i mellom, sier Frank Ohme ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover i en pressemelding.

Ifølge det forskerne vet om stjerner, vil en stjerne med 130 solmasser bli til et sort hull på maksimalt 65 solmasser. Er stjernen tyngre enn dette vil den eksplodere, og bare gass og støv vil bli igjen.

Enda tyngre stjerner på over 200 solmasser vil riktignok kunne kollapse direkte i et sort hull på 120 solmasser. Men de to sorte hullene i den nye studien befant seg i det «forbudte» gapet i mellom.

- Det at vi ser et svart hull i dette massegapet vil få mange astrofysikere til å klø seg i hodet og prøve å finne ut hvordan disse sorte hullene ble til, sier Nelson Christensen, som er direktør for Artemis Laboratory ved Nice Observatory, i en pressemelding.

Så hvordan ble de til? Forskerne holder flere muligheter åpne. Kan det være urgamle sorte hull som ble formet under big bang? Er det noe forskerne ikke har forstått om hva som skjer når en stjerne dør? Eller er kanskje en eller begge av de sorte hullene selv et resultat av en kosmisk krasj?

Det siste er mest sannsynlig, gir en av forskerne, Alessandra Buonanno, uttrykk for.

Når gravitasjonsbølgene treffer

Gravitasjonsbølger er svingninger i rommets geometri, som beskrevet i en tidligere sak publisert på forskning.no.

Vi kan tenke på rommet som en madrass med kuler oppå, som lager groper i madrassen der de ligger. På samme måte bøyes rommet av massive objekter.

Gravitasjonsbølger oppstår når to objekter kretser rundt hverandre og lager små bølger i «madrassen». Effekten er veldig liten, men når to svært massive objekter roterer veldig raskt rundt hverandre og smelter sammen, har forskere sjansen til å oppdage forstyrrelsen.

Signalet ble oppdaget ved Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) i USA, som består av to identiske observatorier på hver sin side av landet, og ved det mindre Virgo-observatoriet i Italia.

LIGO har to fire kilometer lange rør, formet som en L. Rørene er nøyaktig like lange og inni går laserstråler. Når gravitasjonsbølger treffer jorden, strekkes og trykkes alt på planeten. Lyset bruker bittelitt kortere eller lenger tid enn vanlig fram og tilbake i rørene, fordi avstanden har endret seg minimalt.

Og da snakker vi virkelig minimalt, i størrelsesorden en tusendel av et proton i en atomkjerne, ifølge LIGO Scientific Collaboration.

En av armene på LIGO-observatoriet i USA.
En av armene på LIGO-observatoriet i USA.

En annen måte å studere universet

Oppdagelsen av gravitasjonsbølger har gitt forskere en ny måte å studere universet.

De kan brukes til å lære mer om sorte hull: som hvor ofte de forekommer og hvor store de kan bli. De kan også brukes til å måle hvor fort universet utvider seg. Andre metoder har gitt noe forskjellig svar.

– Med gravitasjonsbølgene har vi fått en helt ny informasjonskilde til universet, sa astrofysiker Øystein Elgarøy i en sak fra UiO i 2016.

– I det forrige århundre lærte vi veldig mye etter nye oppdagelser; for eksempel førte oppdagelsen av radiosignaler til at vi fant pulsarer, som er roterende nøytronstjerner, samt den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Alt dette gjorde at vi forstod mye mer av universets historie. Likedan håper vi at gravitasjonsbølger skal gi oss ny informasjon, sa Elgarøy.

- Flere nye spørsmål

Det nye signalet fra de to sorte hullene var spesielt kortvarig sammenlignet med tidligere observasjoner. Forskerne har derfor undersøkt grundig om signalet kan ha kommet fra en annen kilde.

Mulige forklaringer som diskuteres i den ene forskningsartikkelen er mindre svarte hull som fremstår forstørret av gravitasjonslinsing eller hypotetiske kosmiske strenger fra tidenes morgen. Men de alternative forklaringene passer ikke like godt til signalet.

Observasjonen skaper flere spørsmål enn det gir svar, sier medlem av LIGO-teamet og fysikkprofessor ved Caltech, Alan Weinstein.

- Sett fra oppdagelsenes og fysikkens perspektiv er det veldig spennende, sier professoren.

Referanser:

R. Abbott m. fl: «GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150     M ⊙», Physical Review Letters, 2. september 2020. Sammendrag.

R. Abbott m. fl: «Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521», The Astrophysical Journal Letters, 2. september 2020.