Vokser sorte huller, i takt med at universet udvider sig?

Sorte huller er måske universets mest gådefulde objekter.

I midten af ​​den sorte skygge er massen koncentreret til et punkt uden udstrækning, ifølge relativitetsteorien.

De sorte huller er spøgelser efter stjerner, der er døde, og de ligger tit midt i galakser.

Her har de ædt og vokset sig store siden tidernes morgen og er blevet til monstre med en masse, som er mange milliarder gange større end vores egen sol.

I et nyligt studie kommer forskere nu med en ny hypotese om de mystiske objekter.

Kan det være, at sorte huller får mere masse i takt med, at universet udvider sig? Det kan nemlig være en forklaring på, hvorfor en del sorte huller er større end ventet.

Tyngdebølger åbnede nye døre

I 2015 fik forskere et nyt værktøj, de kunne bruge til at studere dette altfortærende fænomen: Tyngdebølger blev påvist for første gang.

Jordobservatorier fangede svingninger i rummet fra to sorte huller. De sorte huller kredsede om hinanden og smeltede sammen. Det skabte bølger i selve rummet, der til sidst skyllede ind over Jorden.

Opdagelsen blev gjort ved de to LIGO-observatorier i USA.

Siden 2015 er 90 hændelser blevet opdaget, hvor sorte huller eller neutronstjerner er kollapset.

De blev opdaget ved LIGO og ved Virgo, et tilsvarende observatorie i Italien.

Tallet inkluderer et katalog over 35 hændelser, der netop er blevet offentliggjort, ifølge en ny pressemeddelelse fra LIGO.

Overraskende store

Forskere studsede over den enorme masse af nogle af de sorte huller, der er opdaget på denne måde.

De er nemlig større, end de burde være. For eksempel blev det i 2020 observeret, hvordan to sorte huller på henholdsvis 66 og 85 solmasser kolliderede og smeltede sammen.

Helt grundlæggende er størrelsen på ​​et sort hul er relateret til størrelsen på ​​den stjerne, der døde og skabte hullet.

»LIGO observerer tyngdebølger fra kollisioner mellem sorte huller og kan bruge dem til at måle massen af ​​de sorte huller,« forklarer fysiker Sigurd Kirkevold Næss i en e-mail til forskning.no, Videnskab.dk's norske søstersite.

Han er forsker ved Institut for Teoretisk Astrofysik ved Universitetet i Oslo.

»Mange af dem har en masse, der er større, end man havde forventet på forhånd. Vores modeller for stjerneudvikling og supernovaeksplosioner forudsagde nemlig, at massive stjerner maksimalt kunne producere sorte huller på op til cirka 45 solmasser.«

Endnu mere massive stjerner ville have en så kraftig supernova, at de slet ikke efterlod noget sort hul, såkaldte 'pair-instability supernovaer'.

»Det kom derfor som en overraskelse, at en stor andel af de sorte huller, LIGO observerer, er mere massive end denne grænse,« siger Sigurd Kirkevold Næss.

Koblet til universets udvidelse?

Tilsyneladende skal disse massive sorte huller først være smeltet sammen med ét eller flere andre, før de ramte en ny ledsager igen. Og det kan godt ske.

»Massive sorte huller kan dannes ved, at mindre sorte huller smelter sammen. Beregninger indikerer, at det kan ske ofte nok til at producere lige så mange sorte huller, som LIGO ser i både tætte stjerneklynger og i tilvækstskiven omkring supermassive sorte huller,« skriver Sigurd Kirkevold Næss.

Forskere bag en ny artikel, publiceret i The Astrophysical Journal Letters, har dog et andet forslag: Hvad hvis sorte huller bliver større i takt med, at universet udvider sig?

Forskere kalder det 'cosmological coupling' - kosmologisk kobling eller pardannelse.

Lyset er på en måde forbundet med universets udvidelse, lyder det i en pressemeddelelse om det nye studie. Lys, der kommer fra galakser langt, langt væk, ser rødere ud, når det når os - infrarødt, for at være helt præcis.

Bølgelængden strækkes, fordi universet har udvidet sig, mens det rejste. Lyset taber altså langsomt energi.

Men hvad hvis det modsatte er tilfældet for sorte huller, spørger forskerne bag den nye artikel.

Kan sorte huller få energi i takt med, at universet udvider sig?

Simulerede en million sorte huller

Forskerne simulerede en million forskellige sammensmeltninger mellem sorte huller. De sammenlignede resultatet med observationer.

Da forskerne forbandt de simulerede sorte huller til universets udvidelse, førte det til øget masse og flere kollisioner.

»Vi fandt, at når vi inkluderede kosmologisk kobling i simulationerne, kunne vi få et godt match med det, LIGO og Virgo så. Det viste, at kosmologisk kobling er en enkel måde at forklare observationerne på,« siger en af ​​forskerne bag undersøgelsen, Kevin Croker, i en email til forskning.no. Han er forsker ved University of Hawai’i, Manoa.

Resultatet er vist i figuren nedenfor:

Kevin Croker forklarer, hvad vi ser. De sorte kors er faktiske observationer. Det blå område er simulationer af sammenstød mellem sorte huller, hvis de er relateret til universets udvidelse.

»Det blå område er det, der sker, når man tegner små blå kryds på hvert sted, som simulationen forudsiger. Der er så mange små blå kors, at de går i ét.«

Det orange område er simulationer af sorte huller, der ikke er koblet til universets udvidelse.

»Det orange område fanger egentlig ikke så mange af de sorte kryds godt. Det gør det blå område. På den måde understøttes vores hypotese af observationsdataene,« skriver Kevin Croker.

Som en elastik

Hvordan kan sorte huller vokse i takt med universets udvidelse?

»Tænk på en elastik,« skriver Kevin Croker.

Når du strækker den ud mellem fingrene, bliver den klar til at blive skudt afsted.

»Elastikken indeholder så mere energi: Energi, som du tilførte, da du strakte den ud. Einstein fortæller os, at energi og masse er to sider af samme sag. Det sorte hul er som elastikken, og universet strækker det. Det sorte hul reagerer ved at blive mere energisk, hvilket er lig med mere massivt.«

Kan måske forklare supermassive sorte huller

Ét af de spørgsmål, der fortsat undrer kosmologerne, er, hvordan supermassive sorte huller kunne blive så store allerede tidligt i universets historie.

Her passer den nye hypotese muligvis ind.

»Kosmologisk kobling giver en ekstra måde, som supermassive sorte huller kan vokse sig massive på, og som gør deres eksistens i det tidlige univers lettere at forklare,« skriver Kevin Croker.

Sigurd Kirkevold Næss ved Universitetet i Oslo har læst det nye studie.

Han skriver i en email til forskning.no, at han primært arbejder med målinger, ikke med teori, men han har alligevel gjort sig nogle tanker om studiet.

Det stemmer, at nogle af de sorte hullers høje masse, som blev opdaget ved hjælp af tyngdebølger, var uventet.

»Siden da har der været mange hypoteser om, hvor de her massive sorte huller kommer fra, og mange er plausible og velfunderede.«

Så der er altså flere måder at forklare størrelsen på, end at de sorte huller vokser.

Designet i et ikke-ekspanderende univers

Sorte huller kan beskrives med matematik.

Ifølge pressemeddelelsen regner fysikerne hovedsagligt på sorte huller i et univers, der ikke udvider sig.

Forskerne bag det nye studie mener, at objekterne opfører sig anderledes i det virkelige univers.

»Det traditionelle roterende sorte hul, som kaldes Kerr-modellen, kan ikke få ekstra masse i takt med universets udvidelse, fordi det er designet til at eksistere i et univers, der ikke udvider sig,« skriver Kevin Croker i en email til forskning.no.

»Det er bare et værktøj, som eksisterer på papiret. Det er ikke, hvad der virkelig er derude.«

Forskel på virklige sorte huller og dem på papiret?

Sigurd Kirkevold Næss påpeger på, at der findes flere forskellige løsninger på Einsteins feltligninger, som kan kaldes sorte huller.

De to mest kendte er Shwartzchild sorte huller og Kerr sorte huller.

Shwartzchild sorte huller er evige, ikke-roterende og sidder i et tomt, statisk univers, forklarer Sigurd Kirkevold Næss.

Kerr sorte huller er det samme bortset fra, at de roterer.

»Ingen af ​​dem stemmer helt overens med virkeligheden,« konstaterer Næss.

Ægte sorte huller er dannet af stjerner, der kollapser og derfor ikke har varet evigt. De er i et univers, der udvider sig, og som ikke er tomt.

»Spørgsmålet er så, hvor forskellige rigtige sorte huller er fra de simple matematiske løsninger, vi bruger.«

Sorte huller med mørk energi

De fleste fysikere mener, at der ikke er nogen praktisk forskel på rigtige sorte huller og for eksempel Kerr sorte huller, siger Sigurd Kirkevold Næss.

»Et lille mindretal er uenig. Den mest kendte af de sorte hul-modeller fra dette undermiljø kaldes en gravastar, som er et objekt, der ligner et normalt sort hul udefra, men som på indersiden består af en kugle af mørk energi omgivet af en tynd skal af stof. Der er gravastars og lignende genstande, Croker og co adresserer i deres artikel.«

Kevin Crocker skriver dog i en mail, at ekspanderende sorte huller ikke behøver at være mørk energi-objekter, som eksempelvis en gravastar, men at de kan være traditionelle sorte huller med singularitet og en hændelseshorisont.

Skeptisk

Sigurd Kirkevold Næss er skeptisk over for, at sorte huller skulle udvide sig, når rummet i nærheden af det sorte hul ikke gør det.

»Det er rigtigt, at universet som helhed udvider sig, men det sker ikke alle steder. Rummet udvider sig ikke inde i objekter, der er gravitationelt bundet, som for eksempel galakser. Og det er her, alle de sorte huller bor,« forklarer Næss. Han fortsætter:

»Jeg er skeptisk over for, at et sort hul, der er omgivet af hundrede tusinde lysår med rum, der ikke udvider sig, bekymrer sig om, hvad rummet endnu længere væk gør.«

En teori udviklet af Stephen Hawking siger, at sorte huller faktisk krymper over ekstremt lang tid.

Denne teori har efterhånden fået stor opbakning. Det kan du læse mere om i denne artikel.

»Men det går så utrolig langsomt, at vi må vente rigtig mange gange universets levetid for at se nogen som helst effekt på almindelige sorte huller,« afslutter Sigurd Kirkevold Næss.

©Forskning.no. Oversat af Stephanie Lammers-Clark. Læs den oprindelige artikel her.