For første gang er der på Jorden registreret et svagt signal forårsaget af sammenstødet mellem to mystiske objekter – et sort hul og en neutronstjerne.
5. januar 2020, netop som verden vågnede op til COVID-19-udbruddet, nåede tyngdebølger fra dette sammenstød Livingston-detektoren ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) tyngdebølgeobservatoriet i Louisiana, USA.
15. januar blev endnu en tyngdebølgehændelse fra et sammestød mellem et sort hul og en neutronstjerne, de mest kompakte stjerner i universet, opdaget.
De to optagelser er de første kollisioner mellem et sort hul og en neutronstjerne, der er blevet målt på Jorden.
Sort hul-neutronstjerne binære systemer, hvor et sort hul og en neutronstjerne kredser om hinanden, er blevet forudsagt, men aldrig observeret – indtil nu.
Ufattelig nøjagtighed
Tyngdebølger er svingninger i tid og rum, som blev forudsagt af Albert Einsteins generelle relativitetsteori.
I et tyngdebølgeobservatorium måles afstanden mellem to ophængte spejle med en laser. Laserstrålene bliver sendt ud i to retninger vinkelret på hinanden, og så rammer strålerne spejlene, der sender lyset tilbage igen.
Ved at lade de to stråler interferere med hinanden, kan man måle små variationer i afstandene til de to spejle med en utrolig nøjagtighed.
De to lysbølger arrangeres, så signalerne annullerer hinanden. Selv den mindste ændring af afstanden mellem spejlene – så lidt som en brøkdel af en bølgelængde – producerer et målbart lyssignal.
\ Læs mere
Som at klemme en oppustet ballon
Den grundlæggende idé bag relativitetsteorien er, at rummet i sig selv har en slags elastisk struktur, selv hvis det slet ikke indeholder noget stof.
Hvis man klemmer det den ene vej, vil det udvide sig vinkelret den modsatte vej – lidt ligesom hvis vi klemmer en oppustet ballon.
Relativitetsteorien forudsiger, at et stof krummer rum (og tid), og en kollision mellem to kompakte objekter som et sort hul og en neutronstjerne ændrer hurtigt kompression og afspænding af rummet i nærheden af objekterne. Bølger af periodisk kompression og ekspansion udsendes.
Bølgerne måles ved at holde øje med afstanden mellem to ellers stationære objekter, fordi tyngdebølgen periodisk vil ændre afstanden mellem objekterne, når den passerer.
Forbedret følsomhed
I løbet af den første påviste tyngdebølgebegivenhed nogensinde i 2015 (som 3 fysikere blev tildelt Nobelprisen for i 2017) ændrede afstandene sig mellem spejlene i de to stationer i LIGO-observatoriet, som ligger fire kilometer fra hinanden, med cirka en tusindedel af en billiontedel af en millimeter.
Sammenstødet i 2015 var mellem to forholdsvis kompakte sorte huller, der hver især havde omkring 30 gange mere masse end Solen. Siden da er instrumentets følsomhed blevet forbedret.
I dag bruges også et mindre, og knapt så følsomt tyngdebølgeobservatorium i Italien, kaldet Virgo-eksperimentet, som ofte er en del af teleskopnetværket.
I de nye opdagelser havde hver af de kolliderende objekter mindre end ti gange Solens masse.
Begivenheden 5. januar involverede objekter med respektive masser på 8,9 og 1,9 gange Solens masse, og sammenstødet 15. januar var mellem objekter med 5,7 og 1,5 gange Solens masse.
\ Læs mere
\ Om Forskerzonen
Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.
Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet.
Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.
Neutronstjerner
Det er vigtigt, at de mindre masser var mindre end 2,2 gange Solens masse, fordi det indikerer, at objekterne var neutronstjerner. Neutronstjerner er så kompakte, at en mængde stof, der svarer til solsystemets, bliver komprimeret til en diameter på cirka 20 kilometer.
Stoffet i en neutronstjerne er så tæt, at atomerne knuses, hvilket resulterer i dannelsen af neutroner.
Den stærke tyngdekraft på overfladen betyder, at det er et meget interessant sted at studere effekten af den generelle relativitetsteori.
Når en neutronstjerne bliver endnu mere kompakt, for eksempel når en interstellar gas falder på den, kan kernekræfterne ikke længere modstå tyngdekraften, og stjernen kollapser som et sort hul, et objekt så kompakt, at ikke engang lys kan slippe fri af dets tyngdekraft.
Låst i en slags tyngdekraftsvals
Neutronstjerner og sorte huller er ikke sjældenheder i Mælkevejen. De er resultatet af skabelsen af stjerner, der er markant mere kompakte end Solen.
Disse kompakte stjerner forekommer ofte i binære systemer, hvor to stjerner kredser om hinanden.
Det er ikke overraskende at finde neutronstjerner og sorte huller i binære systemer, hvor de er låst i en slags tyngdekraftsvals. Sådanne binære systemer udsender tyngdekraftsbølger i løbet af hele deres levetid.
Energien bag gravitationsbølgerne kommer fra objekternes bevægelse omkring hinanden.
Binære systemer
I takt med at systemet udsender tyngdebølger, bevæger objekterne sig tættere på hinanden. Det øger tyngdebølgemissionerne, og til sidst fusionerer de to objekter til et nyt, større sort hul i et udbrud af tyngdebølgeemission. Det er det, vi kan registrere på Jorden.
Selvom vi havde en mistanke om, at systemerne med neutronstjerner og sorte huller eksisterede, er det først nu, at vi kan observere dem.
Neutronstjerner udsender radio- og røntgenemissioner, som vi i dag kan registrere med jævne mellemrum.
Udover ved at søge efter tyngdebølger, kan vi kun observere sorte huller, når et eller andet falder på dem – for eksempel en stjerne eller interstellar gas.
Hvis et sort hul har en normal stjerne-makker, kan det fange masse fra sin makker, som udsender røntgenstråler, før det forsvinder i det sorte hul.
Leverer vigtig information
Binære sorte huller har ingen åbenlys gaskilde, og de kendes kun fra tyngdebølgeforsøg.
Et system med en neutronstjerne og et sort hul kan i princippet godt detekteres ved hjælp af radioteleskoper, men det er indtil videre ikke lykkedes.
Denne nye opdagelse leverer vigtig information om astrofysikken i sådanne systemer.
Der vil helt sikkert blive gjort flere opdagelser, som vil hjælpe med at forbedre vores forståelse af, hvad der er inde i neutronstjernerne og de sorte huller – og muligvis også nye afprøvninger eller evidens for relativitetsteorien.
Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.
