13. juni 2022

Fritflyvende sort hul opdaget i vores galakse for første gang

Sorte huller:

Astronomer mener, at der kan være så mange som 100 millioner sorte huller, som flyver frit rundt i vores galakse, Mælkevejen. De er resterne efter supernova eksplosioner fra de sidste 10 milliarder år. Men siden sorte huller ikke udsender lys, er de ekstremt vanskelige at opdage. Nu har astronomer klart bevis på fundet af det første sorte hul af denne type i en ”nål i en høstak-eftersøgning” mellem et utal af stjerner ind mod centrum af galaksen. Forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, bidrog til opdagelsen med anvendelsen af det danske 1,54m teleskop ved European Southern Observatorys (ESO) La Silla observatorium i Chile. Opdagelsen er nu publiceret i Astrophysical Journal.

Det danske 1,54m teleskop på ESO’s La Silla observatory i Chile målte hvordan lyset fra en stjerne langt bagved det sorte hul først voksed og så aftog igen, mens det sorte hul gled forbi. Kombinationen af observationerne fra rummet og fra Jorden gjorde det muligt at bruge relativitetsteoriens ligninger til at konkludere at stjernen er 19.000 lysår væk, og at ændringerne i dens lys skyldtes at et sort hul havde krummet rummet mellem os og stjernen. Samtidig afslørede beregningerne at det sorte hul er 5.000 lysår væk, har 7 gange solens masse, og flyver gennem rummet med en hastighed af 150.000 km i timen. Credit: Zdenek Bardon ( www.bardon.cz )/ProjectSoft (www.projectsoft.cz )

Efter seks års arbejde med nøjagtige observationer, har NASAs Hubble Space Telescope leveret afgørende bevis for opdagelsen af det første, enlige sorte hul, som farer som en projektil gennem det interstellare rum.

Indtil nu er alle sort-hul-masser blevet målt i såkaldte binære systemer – hvor det sorte hul danner et par med en stjerne, og deres tyngdekraft holder hinanden i skak. Det er altså den første opdagelse af massen af et isoleret sort hul, som er målt.

Lyset fra en bagvedliggende stjerne lyste op i en periode mens det blev afbøjet af det sorte hul, som passerede hen foran stjernen. Det sorte huls meget kraftige tyngdefelt afsatte et unikt ”fingeraftryk” på afbøjningen af stjernelyset, og udelukkede dermed muligheden for, at det kunne have været et andet objekt.

Teleskopet på La Silla spillede en vigtig rolle i opdagelsen

Kailash Sahu fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, USA, samarbejdede med sit team i en undersøgelse, der var designet til netop at lede efter denne type isolerede sorte huller.

Krumningen af rummet, som sker på grund af tyngdekraften fra et objekt, som passerer foran en stjerne, vil i en periode afbøje og forstærke det lys vi modtager fra stjernen. Fænomenet kaldes på engelsk ’gravitational microlensing’ og anvendes til at studere stjerner og exoplaneter, og nu altså også sorte huller.

På dansk bruger man oftest blot det engelske udtryk, men det kan fint oversættes med gravitationel mikrolinsning, eller mere populært, blot et tyngdelinse fænomen.

Man har indtil nu set hen ved 20.000 sådanne tyngdelinser i vores egen galakse, Mælkevejen.

Sort hul — Et sort hul har ingen udstrækning, kun en masse, og kan bedst beskrives som en krumning af selve rummet. Når lys fra fx en stjerne bevæger sig gennem tomrummet, vil det følge rummets geometri, og hvis rummet krummer på grund af et sort hul, vil lyset bøjes af omkring det sorte hul, præcist som en bold der ruller hen over en udspændt trampolin. I vores situation passerede et sort hul med 7 gange solens masse hen foran en lysstærk stjerne, og krummede rummet mellem os og stjernen.

Niels Bohr Institutets værksted har en stor aktie i opdagelsen

Kameraerne, som anvendes sammen med det danske 1,54 meters teleskop, blev udviklet på Niels Bohr Institutets værksted, og anvender de bedst tænkelige detektorer. Med den særlige kombination af et teleskop i moderat størrelse, og den meget hurtige optagelse af billeder, er det, under optimale forhold, muligt at opnå en billedkvalitet og skarphed, som nærmer sig Hubble Space Telescope.

Sådan gjorde vi

I 6 år målte Hubble Rumteleskopet (HST) hvordan retningen til stjernen tilsyneladende skiftede en smule på grund af rummets krumning, mens det sorte hul gled forbi med en hastighed af 150.000 km i timen. Positionsændringen var så lille at den kun kunne måles fra HST.

Fra Jorden kunne teleskoper over hele kloden, inklusiv den danske 1.54m kikkert i Chile, i stedet se stjernens lysstyrke først vokse og så aftage igen. Ved at kombinere observationerne fra rumteleskopet med observationerne fra Jorden, lykkedes det at beregne massen, afstanden og hastigheden af det sorte hul.

Det er første gang det er lykkedes at identificere et af de ca. 100 millioner sorte huller som man forventer farer ensomme og usynlige som projektiler gennem det interstellare rum. De er resterne af år milliarders forgangne supernova eksplosioner der engang har lyst op på himlen.

Dette er særligt relevant, når man observerer områder, som er så tætpakket med stjerner, som der hvor det sorte hul blev opdaget, forklarer Michael Andersen som leder astronomidelen af Niels Bohr Institutets værksted.

Nye opdagelser kan forventes og vil kaste nyt lys på disse ’sortere end sort’ objekter

”Detektioner af isolerede sorte huller, vil give os ny indsigt i populationen af disse objekter i vores Mælkevej”, siger Sahu. Han forventer, at forskningsprogrammet vil afdække flere fritflyvende sorte huller i vores galakse. Men det er som at finde en nål i en høstak. Det anslås, at kun én ud af hver 1500 ’microlensing’ begivenheder man ser er forårsaget af sorte huller.

I øjeblikket opdager undersøgelser, rettet mod det galaktiske centrum, cirka 2000 nye ’microlensing’ begivenheder om året. De korteste varer kun nogle timer, og de længste kan vare måneder eller endda år.

De korte begivenheder er højst sandsynligt forårsaget af frit flyvende planeter, f.eks. exoplaneter som er kastet ud af de solsystemer, hvor de blev dannet. De længste begivenheder har høj sandsynlighed for at være forårsaget af neutronstjerner eller sorte huller.

Afgørende resultater fra en et hundrede år gammel teknik

Albert Einstein forudså i en videnskabelig publikation fra 1916 om den generelle relativitetsteori, at hans teori kunne testes ved at observere hvordan Solens tyngdekraft bøjede rummet, så en bagvedliggende stjernes position angiveligvis skiftede plads. Det blev testet af et samarbejde mellem astronomer, anført af Arthur Eddington og Frank Dyson ved en solformørkelse d. 29. maj, 1919.

Eddington og hans kolleger målte en baggrundsstjernes position skifte med to buesekunder, og bekræftede dermed Einsteins teori.

Disse videnskabsfolk kunne dårligt have forestillet sig, at nu, et århundrede senere, bliver den samme teknik anvendt – om end med en tusind gange større nøjagtighed – til at lede efter sorte huller i galaksen.

Teknikken, der skal til for direkte at ”se” dem, består i at kombinere observationer fra teleskoper på Jorden med observationer fra rummet. Det lille, danske teleskop har en unik instrumentering og dets beliggenhed, højt oppe i Andesbjergene i Chile, er et af de bedste steder på Jorden til astronomiske observationer.

”Dette har givet os mange, værdifulde, internationale samarbejder og unikke opdagelser, som denne her – den første observation af et fritflyvende sort hul fra en supernova eksplosion”, forklarer NBI professor Uffe Graae Jørgensen.

Adskillige nye undersøgelser, inklusive NASAs kommende Nancy Grace Roman Space Telescope, er designet til at opdage adskillige tusinder nye ’microlensing’ begivenheder om året. Opfølgende observationer fra Jorden, f.eks. som dem der foretages fra det danske teleskop i Chile, vil hjælpe med at afgøre, hvilke af disse er fritflyvende planeter, hvide dværge, neutronstjerner og sorte huller - og hvilke er stjerner, omkredset af planeter som vor egen Jord.