Nye tyngdebølger kaster lys over sorte huller
De to LIGO-detektorer i USA har opfanget tyngdebølger fra to sorte huller, der smeltede sammen for tre milliarder år siden. Fundet bekræfter, at kæmpestjerner kan blive til sorte huller, der vejer mere end 20 sole.
tyngdebølger sorte huller LIGO

Det er sådan, LIGO-forskerne forestiller sig, at de sorte huller så ud før sammenstødet. (Grafik: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

Det er sådan, LIGO-forskerne forestiller sig, at de sorte huller så ud før sammenstødet. (Grafik: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))

For kun tredje gang er det lykkedes at opfange tyngdebølger. Som det også var tilfældet de to første gange, kommer de nye tyngdebølger fra to sorte huller, der engang kredsede stadig tættere på hinanden for til sidst at smelte sammen og blive til ét sort hul.

Historien kort
  • Detektorer har opfanget tyngdebølger fra to sorte huller, der vejede cirka 31 og 19 gange så meget som Solen, før de smeltede sammen.
  • Det er kun tredje gang, der er målt tyngdebølger. Alle tre gange har det været fra kolliderende sorte huller.
  • Nu håber fysikerne, at LIGO snart vil fange signaler fra sammenstød, hvor der er neutronstjerner involveret.

Det nye signal kaldes GW170104, for tyngdebølgerne nåede frem til vores klode 4. januar 2017. Siden har forskerne analyseret signalet, der først nu bliver kendt af offentligheden. Fundet beskrives i en artikel i tidsskriftet Physical Review Letters.

Tyngdebølger er krusninger i selve rumtiden. Hvor tyngdebølgerne når frem, ændres rum og tid en smule, og det kan måles, hvis måleudstyret er følsomt nok. Det har de to enorme LIGO-detektorer i USA vist sig at være.

»Det er bemærkelsesværdigt, at mennesker kan fortælle en historie, og teste den, for så underlige og ekstreme begivenheder, der fandt sted for milliarder af år siden og milliarder af lysår fra os,« udtaler David Shoemaker, der er talsmand for LIGO Scientific Collaboration.

GW170104 blev først opfanget af LIGO-detektoren i Hanford i USA's nordvestlige hjørne og tre millisekunder efter af den tilsvarende detektor i Livingston i det sydvestlige USA.

Masse som 31 og 19 gange Solen

Kraftige tyngdebølger udsendes, når meget tunge og kompakte objekter som sorte huller eller neutronstjerner kredser stadig tættere om hinanden. Til sidst støder de sammen, og så holder de op med at udsende tyngdebølger efter ganske kort tid.

Ved at analysere tyngdebølgerne grundigt, kan forskerne finde ud af, hvad der afgav dem. I dette tilfælde var det relativt tunge sorte huller med masser på godt 31 og 19 gange Solens masse, dog med store usikkerheder. Sammenstødet resulterede i et enkelt sort hul med en masse som 49 sole.

Massen af sorte huller

De sorte huller, der er opdaget med røntgenteleskoper (de lilla cirkler), har haft masser på op til 16 gange Solens. Men de kolliderendee sorte huller, som LIGO har opfanger tyngdebølger fra, har været meget tungere. Det nyfundne system er længst til højre. Y-aksen angiver massen i solmasser. (Grafik: LIGO/Caltech/A. Simonnet, Sonoma State)

Regnestykket går ikke helt op, fordi tyngdebølgerne fjerner energi fra systemet, og masse er jo blot en form for energi, jævnfør Einsteins berømte ligning E = mc².

Større sorte huller end forventet 

De nye tyngdebølger bekræfter ikke blot, at vi med tyngdebølgedetektorer har åbnet et helt nyt vindue til universet. Den bekræfter også, at der findes en bestand af relativt store sorte huller, som videnskaben ikke kendte til før.

LIGO

LIGO står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, altså et tyngdebølge-observatorium baseret på laser-interferometri.

1.167 mennesker fra 103 forskellige forskningscentre i 18 lande arbejder sammen om LIGO.

De sorte huller, som hidtil har resulteret i målbare tyngdebølger, er nemlig noget tungere, end man havde forventet. De har haft masser på helt op til 36 gange Solens masse før sammensmeltningerne.

»Isoleret set er det en helt fantastisk detektion af LIGO,« siger Thomas Tauris, der er astrofysiker og forsker i neutronstjerner, sorte huller og tyngdebølger ved universitetet i Bonn i Tyskland. Samtidig er han adjungeret professor ved Aarhus Universitet.

»Alligevel er vi ikke helt oppe at ringe af begejstring, for vi er blevet lidt forvænte efter den første detektion – GW150914 – som slog benene fuldstændig væk under os, fordi de to sorte huller var overraskende store.«

Sammenfaldne kæmpestjerner stod bag

Astrofysikerne er stort set enige om, at så store sorte huller må være kommet fra enormt store og tunge stjerner, der er brændt ud og så faldet sammen under deres egen vægt.

Astronomerne regnede ikke med, at sorte huller fra stjerners død ville veje meget mere end 15-16 gange Solen. De sorte huller, der stammer fra stjerner og som hidtil er fundet i vores egen galakse ved hjælp af røntgenteleskoper, har ikke været tungere end det.

Kunne man se sammensmeltningen af to sorte huller, ville det se omtrent således ud. (Video: SXS Collaboration)

Men det kan de altså godt være, og det kan astrofysikerne kun få til at hænge sammen, hvis de kæmpemæssige stjerner næsten udelukkende har bestået af brint og helium, forklarer Thomas Tauris:

»De sorte huller må være dannet af tunge stjerner med oprindelse i et miljø med få tunge grundstoffer. Stjerner med tunge grundstoffer ville nemlig have tabt en stor del af deres masse i forbindelse med stjernevinde, før de blev til sorte huller.«

De fleste steder i en galakse som Mælkevejen er der tungere grundstoffer, der blander sig i dannelsen af stjerner. Derfor ses der ikke store sorte huller her (hvis vi ser bort fra det supermassive sorte hul i centrum af galaksen). Men det er åbenbart ikke tilfældet overalt i universet.

At stjerner kan blive ekstremt tunge er til gengæld ingen nyhed. Stjerner helt op til 300 gange så tunge som Solen er opdaget i vores nabogalakse Den Store Magellanske Sky. Det kan man læse om i artiklen Monsterstjernen får Solen til at blegne.

Tre milliarder lysår væk

De nyfundne tyngdebølger stammer fra en sammensmeltning, der skete et sted mellem 1,6 og 4,3 milliarder lysår herfra.

De to første detektioner var fra sorte huller cirka 1,3 og 1,4 milliarder lysår væk, og jo fjernere begivenhed, desto svagere signaler.

Styrken af det nye tyngdebølgesignal var på grænsen af, hvad detektorerne kan opfange, og signalet var da heller ikke så 'pænt' som de to foregående. Men forskerne er ikke i tvivl om, at den er god nok.

Et signal i kvarteret

Astronomerne har regnet sig frem til, at Jorden i gennemsnit bliver ramt af en tyngdebølge fra kolliderende sorte huller hver kvarter.

Supermassive sorte huller

De allerstørste sorte huller gemmer sig i midten af galakserne. Disse såkaldte supermassive sorte huller kan have en masse på helt op til 40 milliarder solmasser.

Næsten alle signalerne drukner i støjen i detektorerne, så det er kun de kraftigste tyngdebølger fra kollisioner ikke alt for langt væk, der kan detekteres i dag.

Med den nuværende følsomhed kan LIGO-detektorerne opfange tyngdebølger fra kolliderende neutronstjerner, der er op til 230 millioner lysår herfra. Sådan nogle tyngdebølger er endnu ikke registreret – der har ikke været neutronstjerne-sammenstød i vores kosmiske nabolag i de seneste par år.

Neutronstjerner har en masse på 1,4 gange Solens, men sorte huller er meget tungere, og derfor skaber de også kraftigere tyngdebølger, når de smelter sammen. Derfor kunne det seneste signal opfanges, selvom kollisionen skete cirka tre milliarder lysår herfra.

Drejer langsomt rundt?

Ud fra tyngebølgesignalet kan forskerne ikke bare afgøre de sorte hullers størrelse. De kan også sige noget om deres rotation. Her gemte sig en overraskelse, for der er ikke meget gang i rotationen.

Tyngdebølgesignal

Tyngdebølgerne blev først opfanget af detektoren i Hanford og kort derefter af detektoren i Livingston. Bølgerne bevæger sig med lysets hastighed. (Grafik: Abbott et al., PRL)

Den effektive spinparameter – et mål for, hvor hurtigt de sorte huller roterer samt for retningen af deres rotationsakser i forhold til hinanden og i forhold til retningen vinkelret på det plan, hvori de roterer om hinanden – er meget lille.

To stjerner, der kredser om hinanden i et dobbeltstjernesystem, er dannet ud fra samme roterende gassky, og de vil ende med at rotere om sig selv og også om hinanden i samme retning. Men det lader ikke til at være tilfældet for de sorte huller, der her er stødt sammen, og det kræver en forklaring.

Måske er de to sorte huller dannet hver for sig uafhængigt af hinanden, og så er de senere kommet så tæt på hinanden, at de indfangede hinanden og til sidst kolliderede. Så er det naturligt, at de sorte huller ikke roterede i samme retning. Det er den forklaring, LIGO-forskerne bag den videnskabelige artikel hælder mest til.

»Hvis de to huller roterer i forskellige retninger, er de længere om at smelte sammen. Det var det, vi kunne se på signalet. Det tyder på, at de er dannet hver for sig i en stjernehob,« som Laura Cadonati fra universitet Georgia Tech i USA sagde det i en telekonference, som Videnskab.dk deltog i.

Kollaps kan ændre rotationsaksen

Men den forklaring er Thomas Tauris ikke helt enig i. Han ser det som mere sandsynligt, at de sorte huller først har været et dobbeltstjernesystem bestående af to store stjerner, men at de alligevel er endt med forskellige rotationsakser:

»I det øjeblik, en tung stjerne kollapser og et sort hul dannes, kan rotationsaksen vippes rundt i en tilfældig retning – og det gælder også for dobbeltsystemer. Så de sorte huller kan ende med vidt forskellige rotationsakser, også selv om de er dannet af to stjerner i kredsløb om hinanden.«

En tredje mulighed er, at de sorte huller har roteret meget langsomt inden kollisionen. Kommende målinger vil bringe forskerne tættere på sandheden.

Detektorerne opgraderes

Detektorer tidslinje

LIGO-detektorerne i USA opgraderes jævnligt, og først om et par år vil de være helt færdige. Den europæiske detektor Virgo er lidt bagefter. (Illustration: LIGO)

I de kommende år opgraderes detektorerne løbende, så de bliver langt mere følsomme. Det vil betyde mange flere detektioner – forhåbentlig også en del, hvor neutronstjerner er involveret.

»Nu venter vi på, at LIGO detekterer et sort hul, der kolliderer med en neutronstjerne, eller to neutronstjerner, der kolliderer med hinanden,« siger Thomas Tauris og fortsætter:

»Men det er ikke overraskende, at vi kun har set sorte huller indtil nu. De har de største masser og give de kraftigste signaler, og derfor ser vi selvfølgelig dem først. Neutronstjernerne skal nu nok komme.«

Neutronstjernesammenstød kommer sen

Mike Landry, der leder LIGO-detektoren i Hanford, er enig, fortæller han på telekonferencen:

»Der er enighed om, at neutronstjerne kolliderer i universet. Der kendes binære neutronstjerner, der kredser stadig hurtigere om hinanden på en måde, der svarer til afgivelsen af tyngdebølger. Men vi ved ikke, hvor ofte sådanne kollisionerne sker i universet.«

»Når det sker, vil vi gerne måle det. Vi leder, og vi er sikre på, at vi nok skal detektere dem. Om det sker i denne omgang eller i næste, hvor vi har fået halveret støjen i detektorerne, ved jeg ikke.«

Når detektorerne er blevet dobbelt så følsomme, vil de kunne detektere tyngdebølger fra et rumfang af universet, der er otte gange så stort. Før eller siden vil neutronstjerne-sammenstød dukke op i målingerne, og så vil fysikerne blive meget klogere på, hvad disse uhyre kompakte himmellegemer består af, og hvad der sker, når de kolliderer.

Måske vil LIGO-detektorerne og kommende følsomme detektorer, der er undervejs i Italien, Indien og Japan, også opdage tyngdebølger, som til at starte med er fuldstændig uforklarlige. Det kunne for alvor bringe astronomien og kosmologien videre.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs her om, hvordan forskerne tog billedet af atomerme.


Det sker