Det er slik LIGO-forskerne forestiller seg at de sorte hullene så ut før sammenstøtet. (Grafikk: (Aurore Simonnet) LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State)
Det er slik LIGO-forskerne forestiller seg at de sorte hullene så ut før sammenstøtet. (Grafikk: (Aurore Simonnet) LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State)

Nye gravitasjonsbølger kaster lys over sorte hull

Amerikanske forskere har fanget opp gravitasjonsbølger fra to sorte hull som smeltet sammen for tre milliarder år siden.

Publisert

Historien kort

Detektorer har fanget opp tyngdebølger fra to sorte hull som veide om lag 31 og 19 ganger så mye som solen før de smeltet sammen.

Det er bare tredje gang tyngdebølger er observert. Alle de tre gangene har det vært fra kolliderende sorte hull.

Nå håper fysikerne at LIGO snart vil fange signaler fra sammenstøt der nøytronstjerner er involvert.

LIGO

LIGO står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, altså et tyngdebølgeobservatorium basert på laserinterferometri.

1167 personer fra 103 ulike forskningssentre i 18 land arbeider sammen om LIGO.

Supermassive sorte hull

De aller største sorte hullene gjemmer seg i midten av galaksene. Disse såkalte supermassive sorte hullene kan være på 40 milliarder solmasser.

For bare tredje gang har forskerne klart å registrere gravitasjonsbølger. Også denne gangen kommer bølgene fra to sorte hull som en gang gikk i bane stadig nærmere hverandre, før de til slutt smeltet sammen.

Det nye signalet kalles GW170104, for tyngdebølgene nådde frem til oss 4. januar 2017. Senere har forskerne analysert signalet, som først nå blir kjent av offentligheten. Funnet beskrives i en artikkel i tidsskriftet Physical Review Letters.

Gravitasjonsbølger er krusninger i selve romtiden. Der bølgene når frem, endres rom og tid, og det kan måles hvis utstyret er følsomt nok. Det har de to enorme LIGO-detektorene i USA vist seg å være.

– Det er utrolig at mennesker kan fortelle en historie, og teste den, for så underlige og ekstreme begivenheter som fant sted for milliarder av år siden og milliarder av lysår unna, uttaler David Shoemaker, som er talsmann for LIGO Scientific Collaboration.

GW170104 ble først fanget opp av LIGO-detektoren i Hanford i USAs nordvestlige hjørne og tre millisekunder senere av detektoren i Livingston i det sørvestlige USA.

Masse som 31 og 19 ganger solen

Kraftige gravitasjonsbølger sendes ut når veldig tunge og kompakte objekter som sorte hull eller nøytronstjerner kretser stadig tettere rundt hverandre. Til slutt støter de sammen, og da slutter de å sende ut slike bølger etter ganske kort tid.

Ved å analysere bølgene grundig kan forskerne finne ut hva som skjedde. I dette tilfellet var det relativt tunge svarte hull på om lag 31 og 19 solmasser, men med store usikkerheter. Sammenstøtet resulterte i et enkelt sort hull med en masse som 49 soler.

De sorte hullene som er oppdaget med røntgenteleskoper (de lilla sirklene), har hatt hele 16 solmasser. Men de kolliderende sorte hullene som LIGO har fanger opp tyngdebølger fra, har vært mye tyngre. Det nyoppagede systemet ligger lengst til høyre. Y-aksen angir antall solmasser. (Grafikk: LIGO/Caltech/A. Simonnet, Sonoma State)
De sorte hullene som er oppdaget med røntgenteleskoper (de lilla sirklene), har hatt hele 16 solmasser. Men de kolliderende sorte hullene som LIGO har fanger opp tyngdebølger fra, har vært mye tyngre. Det nyoppagede systemet ligger lengst til høyre. Y-aksen angir antall solmasser. (Grafikk: LIGO/Caltech/A. Simonnet, Sonoma State)

Regnestykket går ikke helt opp fordi gravitasjonsbølgene fjerner energi fra systemet, og masse er jo bare en form for energi, ifølge Einsteins berømte ligning E = mc².

Større sorte hull enn forventet

De nye gravitasjonsbølgene bekrefter ikke bare at vi nå har åpnet et helt nytt vindu til universet. Den bekrefter også at det finnes relativt store sorte hull som vitenskapen ikke kjente til fra før.

De sorte hullene som hittil har resultert i målbare gravitasjonsbølger, er nemlig noe tyngre enn forskerne hadde forventet. De har hatt helt opptil 36 solmasser før sammensmeltningene.

– Det er en helt fantastisk oppdagelse av LIGO, sier Thomas Tauris, som forsker på nøytronstjerner, sorte hull og tyngdebølger ved universitetet i Bonn i Tyskland.

– Likevel kommer det ikke helt opp mot den første oppdagelsen, GW150914, som slo beina fullstendig vekk under oss fordi de to hullene var overraskende store.

Kollapsede kjempestjerner sto bak

Astrofysikerne er stort sett enige om at så store sorte hull må ha kommet fra enormt store og tunge stjerner som har brent ut og falt sammen under sin egen vekt.

Astronomene regnet ikke med at sorte hull fra døde stjerner ville ha mer enn 15–16 solmasser. De sorte hullene som stammer fra stjerner og som hittil er funnet i vår egen galakse ved hjelp av røntgenteleskoper, har ikke vært tyngre enn det.

Men det kan de altså være, og det kan astrofysikerne bare få til å henge sammen hvis stjernene nesten utelukkende har bestått av hydrogen og helium, forklarer Thomas Tauris:

– De sorte hullene må være dannet av tunge stjerner med opprinnelse i et miljø med få tunge grunnstoffer. Stjerner med tunge grunnstoffer ville nemlig ha mistet en stor del av massen sin i forbindelse med solstormer før de ble til sorte hull.

De fleste stedene i en galakse som Melkeveien er det tyngre grunnstoffer som blander seg inn i dannelsen av stjerner. Derfor ser man ikke store sorte hull her, hvis vi ser bort fra det supermassive sorte hullet i sentrum av galaksen. Men det er åpenbart ikke slik overalt i universet.

At stjerner kan bli ekstremt tunge, er derimot ingen nyhet. Stjerner helt opptil 300 ganger så tunge som solen er oppdaget i nabogalaksen vår Den store magellanske sky.

Tre milliarder lysår unna

De nyoppdagede gravitasjonsbølgene stammer fra en sammensmeltning som skjedde et sted mellom 1,6 og 4,3 milliarder lysår unna.

De to første oppdagelsene var fra sorte hull om lag 1,3 og 1,4 milliarder lysår unna, og jo fjernere begivenheten er, desto svakere er signalene.

Styrken på det nye bølgesignalet var på grensen til det detektorene kan fange opp, og signalet var da heller ikke så «pent» som de to forrige. Men forskerne er ikke i tvil om at det er reelt.

Et signal i kvarteret

Astronomene har regnet seg frem til at jorden i gjennomsnitt blir truffet av en gravitasjonsbølge fra kolliderende sorte hull hvert kvarter.

Nesten alle signalene drukner i støyen i detektorene, så det er bare de kraftigste bølgene fra kollisjoner ikke altfor langt unna som kan oppdages i dag.

Med den nåværende følsomheten kan LIGO-detektorene fange opp gravitasjonsbølger fra kolliderende nøytronstjerner som er opptil 230 millioner lysår unna. Slike bølger er fortsatt ikke registrert – det har ikke vært nøytronstjernesammenstøt i vårt kosmiske nabolag i de siste par årene.

Nøytronstjerner har om lag 1,4 solmasser, men sorte hull er mye tyngre, og derfor skaper de også kraftigere bølger når de smelter sammen. Derfor kunne det siste signalet fanges opp selv om kollisjonen skjedde om lag tre milliarder lysår unna.

Langsom rotasjon?

Tyngdebølgene ble først fanget opp av detektoren i Hanford og kort tid etter av detektoren i Livingston. Bølgene beveger seg med lysets hastighet. (Grafikk: Abbott et al., PRL)
Tyngdebølgene ble først fanget opp av detektoren i Hanford og kort tid etter av detektoren i Livingston. Bølgene beveger seg med lysets hastighet. (Grafikk: Abbott et al., PRL)

Ut fra bølgesignalet kan forskerne avgjøre mer enn de sorte hullenes størrelse. De kan også si noe om rotasjonen. Og her gjemte det seg en overraskelse.

Den effektive spinnparameteren – et mål for hvor raskt de sorte hullene roterer samt retningen av rotasjonsaksene sine i forhold til hverandre og i forhold til retningen vinkelrett på det planet der de roterer om hverandre – er veldig liten.

To stjerner som går i bane rundt hverandre i et dobbeltstjernesystem, er dannet ut fra samme roterende gassky, og de vil ende med å rotere om seg selv og også om hverandre i samme retning. Men det ser ikke ut til å være tilfellet for de sorte hullene som her har støtt sammen, og det krever en forklaring.

Kanskje er de to sorte hullene dannet hver for seg uavhengig av hverandre, og da har de senere kommet så tett på hverandre at de fanget inn hverandre og til slutt kolliderte. Da er det naturlig at de sorte hullene ikke roterte i samme retning. Det er den forklaringen LIGO-forskerne bak den vitenskapelige artikkelen heller mest til.

– Hvis de to hullene roterer i ulike retninger, bruker de mer tid på å smelte sammen. Det var det vi kunne se på signalet. Det tyder på at de er dannet hver for seg i en stjernehop, sa Laura Cadonati fra universitet Georgia Tech i USA på en telekonferanse.

Kollaps kan endre rotasjonsaksen

Men den forklaringen er ikke Thomas Tauris helt enig i. Han ser det som mer sannsynlig at de sorte hullene først har vært et dobbeltstjernesystem som består av to store stjerner, men at de likevel har endt med ulike rotasjonsakser:

– I det øyeblikket en tung stjerne kollapser og et sort hull dannes, kan rotasjonsaksen vippes rundt i en tilfeldig retning – og det gjelder også for dobbeltsystemer. Så de sorte hullene kan ende med vidt forskjellige rotasjonsakser selv om de er dannet av to stjerner i bane rundt hverandre.

En tredje mulighet er at de sorte hullene har rotert veldig langsomt før kollisjonen. Kommende målinger vil bringe forskerne nærmere sannheten.

Detektorene oppgraderes

LIGO-detektorene i USA oppgraderes jevnlig, og først om et par år vil de være helt ferdige. Den europeiske detektoren Virgo kommer litt senere. (Illustrasjon: LIGO)
LIGO-detektorene i USA oppgraderes jevnlig, og først om et par år vil de være helt ferdige. Den europeiske detektoren Virgo kommer litt senere. (Illustrasjon: LIGO)

I de kommende årene oppgraderes detektorene slik at de blir mye mer følsomme. Det vil bety mange flere oppdagelser – forhåpentligvis også en del der nøytronstjerner er involvert.

– Nå venter vi på at LIGO oppdager et sort hull som kolliderer med en nøytronstjerne, eller to nøytronstjerner som kolliderer med hverandre, sier Thomas Tauris.

– Men det er ikke overraskende at vi bare har sett sorte hull til nå. De har de største massene og gir de kraftigste signalene, og derfor ser vi selvfølgelig dem først. Nøytronstjernene skal nok komme.

Nøytronstjernesammenstøt kommer sent

Mike Landry, som leder LIGO-detektoren i Hanford, er enig, forteller han på telefonkonferansen:

– Det er enighet om at nøytronstjerne kolliderer i universet. Vi kjenner binære nøytronstjerner som kretser stadig raskere rundt hverandre på en måte som svarer til avgivelsen av gravitasjonsbølger. Men vi vet ikke hvor ofte slike kollisjoner skjer i universet.

– Når det skjer, vil vi gjerne måle det. Vi leter, og vi er sikre på at vi skal oppdage dem. Om det skjer i denne omgangen eller i neste, når vi har fått halvert støyen i detektorene, vet jeg ikke.

Når detektorene har blitt dobbelt så følsomme, vil de kunne oppdage bølger fra et volum av universet som er åtte ganger så stort. Før eller siden vil nøytronstjernesammenstøt dukke opp i målingene, og da vil fysikerne kunne få mye mer informasjon om disse uhyre kompakte himmellegemene: hva de består av og hva som skjer når de kolliderer.

Kanskje vil LIGO-detektorene og kommende følsomme detektorer som er underveis i Italia, India og Japan, også oppdage gravitasjonsbølger som til å begynne med er helt uforklarlige. Det kunne for alvor bringe astronomien og kosmologien videre.

Referanse:

B. P. Abbott: GW170104: Observation of a 50+Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2. Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett. 118.221101. Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.