Kuvataiteilijan kuva kahdesta törmäävästä mustasta aukosta.Luotto: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astronomit ovat havainneet tähän mennessä voimakkaimman, kaukaisimman ja hämmentävimmän mustien aukkojen yhteentörmäyksen gravitaatioaaltojen avulla. Kahdesta jättiläismäisestä, jotka fuusioituivat, kun maailmankaikkeus oli puolet nykyisestä iästään, ainakin toisella – joka painaa 85 kertaa enemmän kuin Aurinko – on massa, jota pidettiin liian suurena tällaiseen tapahtumaan. Tutkijat ovat arvioineet, että sulautuminen tuotti lähes 150 auringon massaisen mustan aukon, mikä asettaa sen alueelle, jossa mustia aukkoja ei ole koskaan aiemmin vakuuttavasti nähty.
”Kaikki tässä löydössä on ällistyttävää”, sanoo Simon Portegies Zwart, laskennallinen astrofyysikko Leidenin yliopistossa Alankomaissa. Hän sanoo erityisesti, että se vahvistaa ”välimassan” mustien aukkojen olemassaolon: ne ovat tyypillistä tähteä paljon massiivisempia kohteita, jotka eivät kuitenkaan ole aivan yhtä suuria kuin galaksien keskuksissa sijaitsevat supermassiiviset mustat aukot.
Ilya Mandel, teoreettinen astrofyysikko Monashin yliopistossa Melbournessa Australiassa kutsuu löytöä ”ihmeellisen odottamattomaksi”.
Kahdessa 2. syyskuuta julkaistussa artikkelissa1,2 kuvattu tapahtuma havaittiin 21. toukokuuta 2019 yhdysvaltalaisen Laser Interferometer Gravitaatioaalto-observatorion (LIGO) kaksoishavainnointilaitteilla 21. toukokuuta 2019 ja pienemmällä Virgo-observatoriolla lähellä Pisaa Italiassa. Se on nimetty GW190521 sen havaintopäivän mukaan.
Sallitut massat
LIGO ja Virgo ovat vuodesta 2015 lähtien antaneet uutta tietoa kosmoksesta havaitsemalla gravitaatioaaltoja. Nämä aaltoilut aika-avaruuden kudoksessa voivat paljastaa mustien aukkojen sulautumisen kaltaisia tapahtumia, joita tavalliset teleskoopit eivät normaalisti näkisi.
Gravitaatioaaltojen ominaisuuksista, kuten siitä, miten niiden sävelkorkeus muuttuu, astrofyysikot pystyvät arvioimaan aaltoja synnyttäneiden kohteiden kokoa ja muita ominaisuuksia, kun ne ovat spiraalimaisesti syöksyneet toisiinsa. Tämä on mullistanut mustien aukkojen tutkimuksen, sillä se on antanut suoria todisteita kymmenistä tällaisista kohteista, joiden massa vaihtelee muutamasta noin 50-kertaiseen Auringon massaan.
Nämä massat sopivat mustiin aukkoihin, jotka ovat syntyneet ”tavanomaisella” tavalla – kun hyvin suurelta tähdeltä loppuu polttoaine palamaan ja se romahtaa oman painonsa alla. Mutta tavanomaisen teorian mukaan tähtien luhistuminen ei saisi tuottaa mustia aukkoja, joiden massa on noin 65-120 Auringon massaa. Tämä johtuu siitä, että tietyn kokoluokan tähdet kuumenevat elinikänsä loppupuolella niin paljon, että ne alkavat muuntaa fotoneja hiukkas- ja antihiukkaspareiksi – ilmiötä kutsutaan pari-instabiiliudeksi. Tämä käynnistää happiytimien räjähdysmäisen fuusion, joka repii tähden kappaleiksi ja hajottaa sen kokonaan.
Viimeisimmässä havainnossaan LIGO- ja Virgo-ilmaisimet havaitsivat vain neljä viimeistä kierteisten mustien aukkojen tuottamaa aaltoilua, joiden taajuus nousi sekunnin kymmenesosassa 30:stä 80:een hertsiin. Siinä missä suhteellisen pienet mustat aukot jatkavat ”kitinää” korkeammille taajuuksille, hyvin suuret mustat aukot sulautuvat yhteen aikaisemmin ja tulevat hädin tuskin sen taajuusalueen alempaan päähän, jolle ilmaisimet ovat herkkiä.
Tässä tapauksessa molempien kohteiden arvioitiin painavan noin 85 ja 66 auringon massaa. ”Tämä on varsin siististi sillä alueella, jonka voisi olettaa parin epävakauden massaeron olevan”, sanoo LIGO:n astrofyysikko Christopher Berry Northwestern-yliopistosta Evanstonista, Illinoisin osavaltiosta.
Selma de Mink, astrofyysikko Harvardin yliopistosta Cambridgesta, Massachusettsista, arvioi parin epävakauden raja-arvon vieläkin alhaisemmaksi, kenties 45 auringon massaan, mikä sysäisi myös kahdesta kohteesta kevyemmän tiukasti kielletylle alueelle. ”Minulle molemmat mustat aukot ovat epämiellyttävän massiivisia”, hän sanoo.
Epätavanomaiset mustat aukot
Havaintojensa selittämiseksi LIGO-tutkijat pohtivat useita mahdollisuuksia, muun muassa sitä, että mustat aukot olisivat olleet olemassa aikojen alusta lähtien. Tutkijat ovat vuosikymmeniä arvelleet, että tällaiset ”alkukantaiset” mustat aukot olisivat voineet muodostua spontaanisti laajassa kokoluokassa pian alkuräjähdyksen jälkeen.
Pääskenaario, jota tutkimusryhmä pohti, on se, että mustat aukot kasvoivat niin suuriksi, koska ne olivat itse aikaisempien mustien aukkojen sulautumisten tulosta. Tähtien luhistumisen tuloksena syntyneiden mustien aukkojen pitäisi kuhisevat tiheiden tähtijoukkojen sisällä, ja periaatteessa niissä voisi tapahtua toistuvia sulautumia. Mutta tämäkin skenaario on ongelmallinen, koska ensimmäisen sulautumisen jälkeen syntyvän mustan aukon pitäisi tyypillisesti saada potkua gravitaatioaalloista ja heittäytyä ulos tähtijoukosta. Vain harvoissa tapauksissa musta aukko jäisi alueelle, jossa se voisi kokea toisen sulautumisen.
Seuraavat sulautumiset olisivat todennäköisempiä, jos mustat aukot asuisivat galaksinsa ahtaalla keskialueella, sanoo de Mink, jossa painovoima on tarpeeksi voimakas estääkseen takaisin sinkoutuvia kohteita ampumasta ulos.
Ei tiedetä, missä galaksissa sulautuminen tapahtui. Mutta suunnilleen samalla taivaan alueella tutkijaryhmä havaitsi kvasaarin – erittäin kirkkaan galaktisen keskuksen, jonka voimanlähteenä toimii supermassiivinen musta aukko – kokevan purkauksen noin kuukausi GW1905213:n jälkeen. Soihtu saattoi olla kvasaarin kuuman kaasun aiheuttama iskuaalto, jonka kvasaarissa oleva musta aukko tuotti, vaikka monet tähtitieteilijät ovatkin varovaisia hyväksymään, että nämä kaksi ilmiötä liittyisivät toisiinsa.
Tämä on toinen kerta tänä vuonna, kun LIGO-Virgo-yhteistyöhön osallistuneet tutkijat ovat tunkeutuneet ”kielletylle” massa-alueelle: kesäkuussa he kuvasivat sulautuman, jossa oli mukana noin 2,6 auringonpainon suuruinen kohde – jota pidetään tyypillisesti liian kevyenä mustaksi aukoksi, mutta kuitenkin liian massiivisena neutronitähdeksi.