Kolossale kollisioner i rummet sender chokbølger gennem Universet: Tyngdebølger slår rekord med nye observationer

Nu har forskere fra Københavns Universitet og internationale kollegaer offentliggjort et overflødighedshorn af nye tyngdebølge-målinger, der kan udfordre vores fundamentale forståelse af sorte huller, tyngdekraften og Universet selv. Blandt dem er det stærkeste signal og det største sammenstød hidtil målt.

I millioner og atter millioner af år har de cirklet om hinanden efter tyngdekraften bandt dem sammen. Kortere og kortere er afstanden blevet indtil det pludseligt kulminerede i brøkdelen af et sekund, da de kolliderede med en fart op til nær lysets hastighed.

Når de tungeste og mest kompakte af alle objekter - sorte huller - mødes og smelter sammen, er der så voldsomme kræfter på spil, at det rusker i selve Universet og sender bølger afsted, der forskyder tid og rum.

”Det er bølger i selve rumtiden – som ringe i vand – der bevæger sig med lysets hastighed. De rejser ikke gennem rummet, men er bølger af rummet: en rytmisk strækning og sammentrækning af selve Universets struktur,” forklarer Jose Maria Ezquiaga fra Niels Bohr Institutet (NBI), der leder NBIs Ligo-Virgo-Karga-gruppe, som har medvirket til de nye videnskabelige udgivelser og observationer.

For præcis ti år siden blev Einsteins forudsigelse af tyngdebølger bekræftet med den første måling, nu har et næsten identisk sammenstød af sorte huller givet tyngdebølgeforskere et kraftigere, og klarere signal end nogensinde før: Målingen viser, at der er tale om to sorte huller begge i en vægtklasse omkring 30 gange solens masse.

”Denne omstændighederne ved sammensmeltning er af en type vi kender godt fra tidligere målinger. Det der gør denne opdagelse helt usædvanlig, er det meget kraftige signal. Det vil give os helt nye muligheder for at afprøve vores grundlæggende forståelser af tyngdekraften og sorte huller,” siger Jose Maria Ezquiaga.

Allerede nu har observationen med mere end 99% sikkerhed bevist en gammel teori fra den berømte fysiker Steven Hawkings, som siger at et sort hul skabt af sammensmeltede sorte huller altid må have et større areal end de fædrene sorte huller til sammen. Fordi tyngdebølgerne efter en sammensmeltning hurtigt aftager har det tidligere været svært at påvise teorien med observationer. Men det nye rekordsignals styrke og klarhed er det nu lykkedes.

De rumtidsforstyrrelser, som tyngdebølger skaber, er ekstremt små. For at registrere dem skal forskerne måle ændringer, der er 700 billioner gange mindre end et menneskehårs tykkelse.

Årsagen til at signalet fra GW250114, som sammenstødet er døbt, var så kraftigt skyldes især den udvikling af måleudstyret som VLK har gennemgået. En udvikling der fortsætter og spår en lys fremtid for feltet.

Det stærkeste signal vs. det største sammenstød

Rekordmålingen indgår i en kæmpe pakke af tyngdebølge-observationer, som nu frigives af forskningskoalitionen, og som ikke blot fordobler antallet af tyngdebølgemålinger forskerne kan studere, men i kraft af flere markante observationer er et stort spring fremad for forskningsfeltet.

GW250114 er ikke den eneste rekord blandt gruppens nye observationer. Disse tæller også en måling af sammensmeltningen af to sorte huller på cirka 100 og 140 gange Solens masse, der dannede et sort hul på hele 225 solmasser eller mere: Den største sammensmeltning af sorte huller nogensinde observeret.

Indtil nu har forskere set, at binære systemer, hvor sorte huller kredser om hinanden typisk har masser op til 50 solmasser. Herefter, med systemer der er tungere end dette, falder antallet af observationer markant.

GW231123, som dette sammenstød er døbt, bryder med dette mønster. Det resulterende sorte hul kan være op til 260 solmasser tungt og således uden for den normale klassificering af ”stellare” sorte huller dannet af stjerner, og i stedet i det spænd som kaldes mellemstørrelse på 150-100.000 gange solens masse. En størrelse som er yderst sjælden og gådefuld for forskerne. 

”Observationen udfordrer vores forståelse af, hvordan sorte huller dannes. Sorte huller med så stor masse burde nemlig ikke kunne opstå på almindelig vis, når stjerner kollapser. En mulighed er, at de to sorte huller i dette system selv er dannet ved tidligere sammensmeltninger af mindre sorte huller, men reelt ved vi det ikke. Det er også en mulighed at signalet er blevet forstyrret undervejs igennem Universet,” siger Jose Maria Ezquiaga.

Ud over deres ekstreme masser roterer begge sorte huller med usædvanligt høje hastigheder, hvilket gør observationen endnu mere bemærkelsesværdig. Bagsiden er dog at dette signal er meget kort og svagt, sammenlignet med GW250114, hvilket gør analyser og fortolkninger langt svære.

Et forskningsfelt med innovation

Einstein forudså allerede for lige knap 100 år siden tyngdebølger, som et uundgåeligt aspekt af sin berømte relativitetsteori. For 10 år siden blev teorien så til empirisk virkelighed, da de første tyngdebølger blev målt og nu markeres tiåret for det med et væld af nye observationer, herunder disse to meget spektakulære. Begge studier er milepæle, der demonstrerer, at vi nu ikke blot kan høre Universets dybeste rumklang, vi kan også begynde at afkode dens struktur.

Som det ofte sker i fysikken, kan den grundforskning, der driver opdagelserne, dog også føre til nye teknologier. Allerede nu har de ekstremt følsomme instrumenter, der bruges til at måle tyngdebølger ført til nye typer lasere og optiske systemer i kvantecomputere og atomure, ligesom AI-teknikker bruges til at reducere støj og meget andet.

Udviklingen ventes at fortsætte. De næste bølger af observationer forventes med tiden at omfatte alle de tyngdebølgesignaler fra kollisioner af sorte huller, som Universet har at byde på. Det vil ske ved at udvide LVK-samarbejdet med endnu en målestation i Indien, og ved hjælp af planlagte nye måleinstrumenter.

”Vi forventer at dette forskningsfelt bliver helt afgørende for vores fundamentale forståelse af Universet. Vi er kun lige nået til enden på begyndelsen,” lyder det fra Jose Ezquiaga.

Forskningsartiklen om observationen GW231123 er endnu ikke passeret igennem Peer review, men forventes at gøre det meget snart. Artiklen om først omtalte observation, GW250114 kan læses i tidsskriftet Physical Review Letters.