Et banebrydende studie.
Sådan lyder det fra den danske astrofysiker Johan Samsing om et nyt studie om sorte huller, der er publiceret i Nature, og som han selv er førsteforfatter på.
Studiet viser nemlig, hvor og hvordan sorte huller mødes i universet og brager sammen. Og det giver den første mulige løsning på en spektakulær opdagelse af to kolliderende sorte huller, der fandt sted i 2019.
Løsningen er fundet ved hjælp af tyngdebølger. Den indebærer et kaotisk trekantsdrama i en gigantisk gasskive og ændrer forståelsen af, hvordan sorte huller opfører sig. Men det kommer vi tilbage til.
»Elliptiske sorte hul-kollisioner er blevet undersøgt teoretisk i mere end 10 år. De blev altid betragtet som sjældne og eksotiske begivenheder. Så det er fascinerende nu at være vidne til de første opdagelser fra sådanne begivenheder og at få yderligere indsigt i deres mulige oprindelse,« siger Roman Gold, assisterende professor i fysik, ved Syddansk Universitet. Han har ikke været en del af studiet, men har læst det igennem for Videnskab.dk.
»Og hvem ved? Måske vil der blive fundet endnu flere scenarier. Med flere og flere data vil man være i stand til at fortælle, hvor elliptiske kollisioner virkelig opstår,« tilføjer han.
Et tredje sort hul skaber ravage for binære sorte huller
Sorte huller kan veje en milliard gange mere end Solen, og de opsluger alt, der kommer i nærheden af dem – planeter, stjerner, ja, selv lyset.
De er et af de mest fascinerende fænomener i universet, men vi ved endnu ikke særlig meget om dem – især fordi de ikke udsender lys, som indtil for få år siden var vores næsten eneste kilde til viden om universet.
For astrofysikere er det stadig et stort spørgsmål, hvordan binære sorte huller bliver til. Altså par af sorte huller, der cirkler om hinanden i millioner eller milliarder af år, før de brager sammen og bliver til ét.
»Vi ved, at et sort hul højst sandsynligt formes, når en stjerne dør. Men hvor og hvordan får du ét sort hul til at mødes med et andet?« siger Johan Samsing og tilføjer:
»Sker det ved, at stjernepar kollapser, og begge bliver til sorte huller. Er det i stjernehobe eller på en tredje måde? Det er et de helt store spørgsmål.«
Spørgsmål, som astrofysikere gerne vil svare på. Og det er nu lykkedes Johan Samsing og hans kolleger. For de har lagt en ny brik i puslespillet, der måske løser den sidste del af en gåde, som astrofysikere har kæmpet med de seneste år.
De har nemlig vist, at et tredje sort hul ofte udløser et kaos i ’ægteskabet’ mellem binære sorte huller.
Spektakulær opdagelse i 2019 var en gåde
Det var i 2019, at astrofysikere gjorde en »spektakulær opdagelse« ved at observere tyngdebølger – det har Videnskab.dk skrevet om i artiklen ‘Ny rekordmåling af tyngdebølger‘.
Tyngdebølger, også kaldet gravitationsbølger, er de bølger, der får selve universet til at skvulpe, og som milliarder af år senere kan registreres på Jorden.
Astrofysikerne observerede tyngdebølger udløst af et par kolliderende sorte huller. Og kollisionen brød de tre ting, man overhovedet ikke havde tænkt var muligt, forklarer Johan Samsing:
- De kolliderende sorte huller vejede hver omkring 80 solmasser. Det er langt mere, end hvad man mener, er fysisk muligt, hvis de var skabt på traditionel vis fra kollaps af stjerner, hvor grænsen er ved omkring 50 solmasser. »Det fortæller os, at vores forståelse af, hvordan sorte huller skabes fra stjerner enten er tydeligt mangelfuld, eller at Universet har fundet en måde at øge sorte hullers masser over tid. I vores model hælder vi faktisk mest til den sidste mulighed,« siger Johan Samsing.
- Der kom muligvis også et lyssignal fra dem.
- Tyngdebølgerne afslørede også, at de sorte huller ikke kredsede om hinanden i cirkler, da de ramlede sammen. Det var første gang, at man så binære sorte huller, som ikke havde en cirkelformet bane lige inden kollision. Det havde man indtil da anset som usandsynligt, fordi Einsteins teorier forudsiger, at sorte huller altid stræber efter at bevæge sig i cirkler hvis muligt.
2019-opdagelsen bliver karakteriseret som den mest overraskende observation, der er blevet gjort med tyngdebølger.
»Nu skete det simpelthen. Alle tre ting skete på samme tid. Spørgsmålet var så, hvordan kan to sorte huller formes, der er så tunge? Der bliver udsendt lys, og banerne er ikke cirkulære, når de kolliderer? Det må fortælle os, hvordan sorte huller skabes,« siger Johan Samsing.
\ Læs mere
Startede undren, der gav muligt svar på gåden
Opdagelsen i 2019 fik Johan Samsing til at undre sig. Hvor og hvordan kan sådan en kollision gå til? Det begyndte han at regne på.
Det viste sig, at svaret skulle findes i det inderste af en galakse. I centret af de fleste galakser er der et gigantisk sort hul på flere millioner gange Solens masse, som ofte er omgivet af en flad, roterende skive af gas (se illustrationen længere nede).
I skiven kan der befinde sig mange mindre sorte huller, som med tiden bevæger sig nærmere centrum og også nærmere hinanden. Nogle af dem danner par.
I et par år har astrofysikere vidst, at der både i galaksekerners gasskiver og i stjernehobe tit sker det, at et tredje sort hul braser ind i et par, fortæller Johan Samsing.
»Jeg regnede ud, at det i stjernehobe en sjælden gang imellem kan skabe så meget ravage, at parrets bane går fra at være cirkelformet til at blive elliptisk.«
Og via tyngdebølger sladrer banens elliptiske facon om, hvordan kollisionen er sket. For tyngdebølgernes kurve, der kan måles på Jorden, viser, hvor cirkulær banen er.
I elliptiske baner veksler afstanden mellem de sorte huller fra at være lille til at være stor, og det medfører, at de tyngdebølger, der udsendes, har en anderledes kurve end kurven fra tyngdebølger fra en cirkulær bane. Det er disse forskelle, man har kunnet måle fra landjorden.
Thomas Tauris, professor i teoretisk astrofysik ved Aalborg Universitet, har læst studiet for Videnskab.dk og siger:
»Det viser sig interessant nok, og under visse antagelser, at skiven i aktive galakser kan være et oplagt sted at producere binære sorte huller, der endnu har elliptiske baner, når de kolliderer med hinanden, i forhold til dannelsesprocesser i for eksempel miljøer med høj stjernetæthed, såsom kuglehobe.«
»Et nyt og vigtigt aspekt i denne artikel er, at gravitationsbølgestråling er medtaget i deres beregninger af de 3-legeme-vekselvirkninger, der leder til dannelsen af de binære sorte huller, som efterfølgende kolliderer,« tilføjer Thomas Tauris.
\ Læs mere
Kaotisk ’trekantsdrama’ i en gasskive
Fænomenet bliver også kaldt for et kaotisk ’trekantsdrama’, fortæller Johan Samsing.
»Har du to sorte huller, så vil tyngdebølgerne udsendt fra de to sorte huller transportere energi ud fra systemet. Dette tab af energi vil bringe dem tættere sammen, hvilket medfører, at de kolliderer over tid,« siger Johan Samsing.
Men fordi ’trekantsdramaet’ er forholdsvis sjældent i kendte stjernehobe, var det usandsynligt, at de spektakulære sorte huller set i 2019, var skabt i noget, der ligner, hvad vi har set før.
Alt, hvad der var regnet ud hidtil, var baseret på, at interaktionen mellem de sorte huller foregik i tre dimensioner, som det jo gør i stort set alle stjernesystemer, vi kender til.
»Så vi prøvede at antage, at tingene foregik i 2D, fordi en gasskive jo egentlig er flad,« siger Johan Samsing og uddyber:
»Overraskende fandt vi frem til, at hvis ’trekantsdramaet’ mellem de sorte huller finder sted i en gasskive, er der over 100 gange større chance for en ellipseformet kollision. Det betyder, at cirka 50 procent af alle kollisioner i sådanne disks kan være elliptiske.«
Og den opdagelse passede jo helt utrolig godt på observationen i 2019, som alt i alt nu peger i retning af, at de mærkelige egenskaber, astrofysikerne så, ikke er så mærkelige igen, hvis kollisionen altså skete i en flad gasskive i centret af en galakse.
»Deres statistiske model forudsiger, at sorte hul-kollisioner forekommer forskelligt i tynde skiver nær galaksernes centre. Især hvis to sorte huller kommer tæt på et tredje, er det mere sandsynligt, at to sorte huller smelter sammen, mens de stadig interagerer med det tredje sorte hul,« siger Roman Gold og tilføjer:
»Det producerer generisk mere elliptiske baner, som fører til usædvanlige signaler, som gravitationsbølgedetektorer på Jorden derefter kan opfange.«
Thomas Tauris nævner dog, at skal man tage den kritiske hat på, kan man påpege nogle af de mange antagelser, som studiet bygger på:
For eksempel antagelsen om, at baneplanet for de binære systemer nødvendigvis er parallelt (stort set ligger på linje) med skiven i den aktive galakse. Men nok især antagelsen om, at spinakserne af de sorte huller er parallelle med baneangulærmoment-vektoren (se illustrationen). Disse antagelser er temmelige usikre, påpeger han.
»Spørgsmålet er, om disse, iøvrigt glimrende beregninger, kun er relevante for en meget lille brøkdel af de kolliderende sorte huller, som LIGO/Virgo har målt,« siger Thomas Tauris.
»En del studier tyder på, at over 90-95 procent af alle detektioner kan forklares ud fra isoleret binær stjerneudvikling. Men det er endnu for tidligt at konkludere.«
Tyngdebølger er et vigtigt redskab
Det nye studie viser, at tyngdebølger er et vigtigt et redskab, når det handler om at få meget mere viden om, hvordan sorte huller skabes og kolliderer i vores univers.
Forskerne har vist, at forskellen i tyngdebølgerne er det væsentlige, for at vurdere hvor i universet de sorte huller kommer fra.
Og de er kommet frem til, at der kan være kæmpe forskel på de signaler, der udsendes fra sorte huller, som kolliderer i flade gasskiver versus de sorte huller i stjernesystemer.
Altså ved vi nu, at der er stor forskel på, hvordan sorte huller bringes til kollision i de forskellige områder af universet.
»Det er spændende at finde ud, hvordan vores univers hænger sammen. Én af de mest fundamentale ting i vores univers er rum-tiden, hvilket var det koncept, Einstein introducerede i tilblivelsen af sin Almene Relativitetsteori. Et sort hul repræsenterer på mange måder sammen med Big Bang den mest ekstreme konsekvens af rummet og tiden som et medie, som kan deformeres, når energi eller masse er tilstede,« siger Johan Samsing.
Og på længere sigt håber han, at de her kollisioner af sorte huller kan lære os noget om fysiske love.
»De har allerede givet os meget, takket være Einstein – for eksempel GPS’en – men måske er der mere derudover,« siger han.
Og den eneste måde at finde ud af det på er ved at kigge på ekstreme områder og begivenheder, såsom kollisioner af sorte huller.
»Og det er første gang, vi har kunnet gøre det. Men der er forhåbentlig rigtig meget at lære.«
