En konstnärlig bild av två kolliderande svarta hål.Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astronomer har med hjälp av gravitationsvågor upptäckt den kraftfullaste, mest avlägsna och mest förbryllande kollisionen av svarta hål hittills. Av de två kolosser som smälte samman när universum var hälften av sin nuvarande ålder har åtminstone det ena – som väger 85 gånger så mycket som solen – en massa som man trodde var för stor för att vara inblandad i en sådan händelse. Forskarna har uppskattat att sammanslagningen gav upphov till ett svart hål med en massa på nästan 150 solmassor, vilket placerar det i ett område där inga svarta hål någonsin har setts förut.
”Allting med den här upptäckten är häpnadsväckande”, säger Simon Portegies Zwart, en astrofysiker som arbetar med beräkningsteknik vid universitetet i Leiden i Nederländerna. Han säger särskilt att den bekräftar existensen av svarta hål med ”intermediär massa”: objekt som är mycket mer massiva än en typisk stjärna, men inte riktigt lika stora som de supermassiva svarta hålen i galaxernas centrum.
Ilya Mandel, teoretisk astrofysiker vid Monash-universitetet i Melbourne, Australien, kallar upptäckten för ”underbart oväntad”.
Händelsen, som beskrivs i två artiklar som publicerades den 2 september1,2, upptäcktes den 21 maj 2019 av tvillingdetektorerna i Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i USA och av det mindre Virgo-observatoriet nära Pisa i Italien. Den har fått namnet GW190521 efter detektionsdatumet.
Förbjudna massor
Sedan 2015 har LIGO och Virgo gett nya insikter om kosmos genom att känna av gravitationsvågor. Dessa krusningar i rymdtidens väv kan avslöja händelser som sammanslagningar av svarta hål som normalt inte skulle vara synliga med vanliga teleskop.
Utifrån gravitationsvågornas egenskaper, t.ex. hur de ändrar tonhöjd, kan astrofysiker uppskatta storleken och andra egenskaper hos de objekt som producerade dem när de spiralade in i varandra. Detta har revolutionerat studiet av svarta hål och gett direkta bevis för dussintals av dessa objekt, vars massa varierar från några få till cirka 50 gånger solens massa.
Dessa massor stämmer överens med svarta hål som bildats på ett ”konventionellt” sätt – när en mycket stor stjärna får slut på bränsle att förbränna och kollapsar under sin egen vikt. Men den konventionella teorin säger att stjärnornas kollaps inte bör ge upphov till svarta hål mellan cirka 65 och 120 solmassor. Det beror på att stjärnor i ett visst storleksintervall mot slutet av sitt liv blir så heta i sitt centrum att de börjar omvandla fotoner till par av partiklar och antipartiklar – ett fenomen som kallas parinstabilitet. Detta utlöser den explosiva fusionen av syrekärnor, som sliter stjärnan i bitar och fullständigt desintegrerar den.
I sin senaste upptäckt kände LIGO- och Virgodetektorerna bara av de fyra sista krusningarna som producerades av de spiralformade svarta hålen, med en frekvens som steg från 30 till 80 Hertz inom en tiondels sekund. Medan relativt mindre svarta hål fortsätter att ”pipa” upp till högre frekvenser, smälter mycket stora svarta hål samman tidigare och kommer knappt in i den nedre delen av det frekvensområde som detektorerna är känsliga för.
I det här fallet uppskattades de två objekten väga omkring 85 respektive 66 solmassor. ”Det här är ganska exakt inom det område som man skulle förvänta sig att massgapet för parinstabilitet borde vara”, säger LIGO-astrofysikern Christopher Berry vid Northwestern University i Evanston, Illinois.
Selma de Mink, astrofysiker vid Harvard University i Cambridge, Massachusetts, sätter gränsen för parinstabilitet ännu lägre, kanske vid 45 solmassor, vilket skulle driva det lättare av de två objekten in i den förbjudna zonen också. ”För mig är båda svarta hålen obehagligt massiva”, säger hon.
Okonventionella svarta hål
För att förklara sina observationer övervägde LIGO-forskarna en rad olika möjligheter, bland annat att de svarta hålen hade funnits sedan tidernas begynnelse. I årtionden har forskare gissat att sådana ”primordiala” svarta hål kan ha bildats spontant i ett brett spektrum av storlekar strax efter Big Bang.
Det viktigaste scenariot som laget övervägde är att de svarta hålen blev så stora för att de själva var resultatet av tidigare sammanslagningar av svarta hål. Svarta hål som uppstår vid stjärnkollaps borde krypa i täta stjärnkluster, och i princip skulle de kunna genomgå upprepade sammanslagningar. Men även detta scenario är problematiskt eftersom det svarta hålet som uppstår efter en första sammansmältning vanligtvis borde få en kick av gravitationsvågorna och kasta ut sig självt från klustret. Endast i sällsynta fall skulle det svarta hålet stanna kvar i ett område där det skulle kunna genomgå en ny sammanslagning.
Upprepade sammanslagningar skulle vara mer sannolika om de svarta hålen bebodde den trånga centrala regionen i sin galax, säger de Mink, där gravitationen är tillräckligt stark för att förhindra att rekylande objekt skjuter ut.
Det är inte känt i vilken galax sammanslagningen skedde. Men i ungefär samma region på himlen upptäckte ett forskarlag en kvasar – ett extremt starkt galaktiskt centrum som drivs av ett supermassivt svart hål – som genomgick ett utbrott ungefär en månad efter GW1905213. Utbrottet kan ha varit en chockvåg i kvasarens heta gas som producerats av det svarta hålet, även om många astronomer är försiktiga med att acceptera att de två fenomenen är relaterade.
Detta är andra gången i år som LIGO-Virgo-samarbetet har gått in i ett ”förbjudet” massområde: i juni beskrev de en sammansmältning som involverade ett objekt med en massa på cirka 2,6 solmassor – som vanligtvis anses vara för lätt för att vara ett svart hål, men för massivt för att vara en neutronstjärna4.