Free Press

Astronomer har opdaget det kraftigste, mest fjerne og mest forvirrende sammenstød af sorte huller hidtil ved hjælp af gravitationsbølger. Af de to mastodonter, der smeltede sammen, da universet var halvdelen af sin nuværende alder, har i hvert fald det ene – der vejer 85 gange så meget som Solen – en masse, som man troede var for stor til at være involveret i en sådan begivenhed. Og fusionen producerede et sort hul på næsten 150 solmasser, har forskerne anslået, hvilket placerer det i et område, hvor ingen sorte huller nogensinde er blevet set før.

“Alt ved denne opdagelse er forbløffende,” siger Simon Portegies Zwart, der er computerbaseret astrofysiker ved Leiden University i Holland. Han siger især, at det bekræfter eksistensen af sorte huller med “mellemmasse”: objekter, der er meget mere massive end en typisk stjerne, men ikke helt så store som de supermassive sorte huller, der bor i galaksernes centrum.

Ilya Mandel, der er teoretisk astrofysiker ved Monash University i Melbourne i Australien, kalder fundet “vidunderligt uventet”.

Hændelsen, der er beskrevet i to artikler, som blev offentliggjort den 2. september1,2, blev opdaget den 21. maj 2019 af tvillingedetektorerne i Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA og af det mindre Virgo-observatorium nær Pisa i Italien. Den er navngivet GW190521 efter dens detektionsdato.

Forbudte masser

Siden 2015 har LIGO og Virgo givet ny indsigt i kosmos ved at registrere gravitationsbølger. Disse krusninger i rumtidens væv kan afsløre begivenheder som f.eks. sammensmeltninger af sorte huller, som normalt ikke ville være synlige med almindelige teleskoper.

Ud fra gravitationsbølgernes egenskaber, f.eks. hvordan de ændrer tonehøjde, kan astrofysikere vurdere størrelsen og andre træk ved de objekter, der producerede dem, da de spiralede ind i hinanden. Dette har revolutioneret studiet af sorte huller og har givet direkte beviser for snesevis af disse objekter, der i masse varierer fra nogle få til omkring 50 gange Solens masse.

Disse masser er i overensstemmelse med sorte huller, der er dannet på en “konventionel” måde – når en meget stor stjerne løber tør for brændstof til forbrænding og kollapser under sin egen vægt. Men den konventionelle teori siger, at stjernekollaps ikke bør producere sorte huller mellem ca. 65 og 120 solmasser. Det skyldes, at stjerner i et vist størrelsesinterval mod slutningen af deres liv bliver så varme i deres centrum, at de begynder at omdanne fotoner til par af partikler og antipartikler – et fænomen, der kaldes parinstabilitet. Dette udløser den eksplosive fusion af iltkerner, som river stjernen fra hinanden og opløser den fuldstændigt.

I deres seneste opdagelse registrerede LIGO- og Virgo-detektorerne kun de sidste fire krusninger, der blev produceret af de spiralformede sorte huller, med en frekvens, der steg fra 30 til 80 Hertz i løbet af en tiendedel af et sekund. Mens relativt mindre sorte huller fortsætter med at “pible” op til højere frekvenser, smelter meget store huller sammen tidligere og kommer knap nok ind i den nedre ende af det frekvensområde, som detektorerne er følsomme over for.

I dette tilfælde blev de to objekter anslået til at veje omkring 85 og 66 solmasser. “Det ligger ganske pænt i det område, som man ville forvente, at masseforskellen mellem parinstabiliteten skulle være,” siger LIGO-astrofysiker Christopher Berry ved Northwestern University i Evanston, Illinois.

Selma de Mink, der er astrofysiker ved Harvard University i Cambridge, Massachusetts, sætter grænsen for parinstabilitet endnu lavere, måske ved 45 solmasser, hvilket også ville skubbe det lettere af de to objekter helt ind i den forbudte zone. “For mig er begge sorte huller ubehageligt massive”, siger hun.

Ukonventionelle sorte huller

For at forklare deres observationer har LIGO-forskerne overvejet en række muligheder, herunder at de sorte huller har eksisteret siden tidernes morgen. I årtier har forskere gættet på, at sådanne “primordiale” sorte huller spontant kunne have dannet sig i en bred vifte af størrelser kort efter Big Bang.

Det vigtigste scenarie, som holdet overvejede, er, at de sorte huller blev så store, fordi de selv var resultatet af tidligere fusioner af sorte huller. Sorte huller, der er resultatet af stjerners kollaps, burde vrimle i tætte stjerneklumper, og i princippet kunne de gennemgå gentagne fusioner. Men selv dette scenarie er problematisk, fordi det sorte hul, der opstår efter den første fusion, typisk vil få et spark fra gravitationsbølgerne og skubbe sig selv ud af klyngen. Kun i sjældne tilfælde ville det sorte hul blive i et område, hvor det kunne gennemgå en ny fusion.

Successive fusioner ville være mere sandsynlige, hvis de sorte huller beboede det overfyldte centrale område af deres galakse, siger de Mink, hvor tyngdekraften er stærk nok til at forhindre tilbagespringende objekter i at skyde ud.

Det vides ikke, i hvilken galakse sammenlægningen fandt sted. Men i nogenlunde samme område af himlen opdagede et forskerhold en kvasar – et ekstremt lysstærkt galaktisk centrum drevet af et supermassivt sort hul – der gennemgik et udbrud omkring en måned efter GW1905213. Udbruddet kunne have været en chokbølge i kvasarens varme gas, der blev frembragt af det sorte hul, der rekylerer tilbage, selv om mange astronomer er forsigtige med at acceptere, at de to fænomener hænger sammen.

Dette er anden gang i år, at LIGO-Virgo-samarbejdet har bevæget sig ind i et “forbudt” masseområde: I juni beskrev de en fusion, der involverede et objekt på omkring 2,6 solmasser – der typisk anses for at være for let til at være et sort hul, men for massivt til at være en neutronstjerne4.