Dansk astrofysiker leverer første løsning på gåde om utrolige sorte huller

De kan veje en milliard gange mere end Solen, og de opsluger alt, der kommer i nærheden af dem – planeter, stjerner, ja, selv lyset. Sorte huller er et af de allermest fascinerende fænomener i universet, men vores viden om dem er stadig meget begrænset - især fordi de ikke udsender lys, som indtil for få år siden var vores nær eneste kilde til viden om universet. Et stort spørgsmål i astrofysikken er, 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? Sker det ved at stjernepar kollapser og begge bliver til sorte huller, er det i stjernehobe eller på en tredje måde. Det er en af de helt store åbne spørgsmål,” siger astrofysiker og førsteforfatter Johan Samsing, adjunkt ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Men nu har han og hans samarbejdspartnere leveret en ny brik til puslespillet, der muligt løser sidste del af en gåde, som astrofysikere har kæmpet med de seneste par år. Ved hjælp af Einsteins ligninger og simulationer har de påvist, at et tredje sort hul ofte udløser et kaos i ’ægteskabet’ mellem binære sorte huller, der ændrer deres kredsløb om hinanden, hvis det foregår i en flad gasskive i kernen af en galakse. Og resultatet, der netop er udgivet i det prestigefyldte tidsskrift Nature, rokker ved hele forståelsen af, hvordan binære sorte huller opfører sig. 

Utrolig opdagelse i 2019

Gåden stammer fra 2019, hvor astrofysikere gjorde en utrolig opdagelse igennem observation af tyngdebølger - altså bølger, der får selve universet til at skvulpe, og som milliarder af år senere kan registreres på Jorden. Man observerede tyngdebølger udløst af et par kolliderende sorte huller, navngivet GW190521, som for det første var tungere, end man hidtil troede var fysisk muligt. Derudover kom der muligvis et lyssignal fra dem. Disse to ting er der siden fundet mulige forklaringer på. Men tyngdebølgerne afslørede også et tredje forbløffende karaktertræk – nemlig at de sorte huller ikke kredsede om hinanden i cirkler, da de ramlede sammen.

”Begivenheden i 2019 er til dato den mest overraskende observation, der er blevet gjort med tyngdebølger. Det var blandt andet første gang, at man så binære sorte huller, som ikke havde en cirkelformet bane lige inden kollision. Indtil da anså man dette som ekstremt usandsynligt, fordi Einsteins teorier forudsiger, at sorte huller altid stræber efter at bevæge sig i cirkler hvis muligt,” udtaler medforfatter Imre Bartos, professor ved University of Florida.

Trekantsdrama

Observationen fik en undrende Johan Samsing i København til at begynde at regne på, hvor og hvordan sådan en kollision kan gå til. 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. I skiven kan der befinde sig mange mindre sorte huller, som med tiden bevæger sig nærmere centrum og også nærmere hinanden, og nogle af dem danner par.

”I et par år har vi vidst, at der både i galaksekerners gasskiver og i stjernehobe tit sker det, at et tredje sort hul braser ind i et par. 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. Fordi en elliptisk bane hurtigt skrumper ind, kommer de to huller så tæt på hinanden, at de kolliderer i løbet af kort tid. Banens facon har altså stor betydning for de sorte hullers skæbne,” siger Johan Samsing.

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,” siger lektor og medforfatter Bence Kocsis fra University of Oxford.

Nøglen var i 2D

Men fordi fænomenet med ’trekantsdramaet’ sker forholdsvis sjældent i kendte stjernehobe, var det alt i alt 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. Men så prøvede vi at antage, at tingene foregik i 2D, fordi en gasskive jo egentlig er flad. 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% af alle kollisioner i sådanne disks kan være ikke-cirkulære,” siger Johan Samsing og fortsætter:

”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, vi så, ikke er så mærkelige igen, hvis kollisionen altså skete i en flad gasskive i centret af en galakse.”

Teorien om gasskiven passer også med andre forskeres forklaringer på de to øvrige dele af gåden. De sorte hullers usædvanligt tunge masser er mulige, fordi de er bygget op af kollisioner mellem mindre sorte huller inde i gasskiven, mens lyssignalet stammer fra den omkringliggende gas.

Det nye studie demonstrerer, hvor vigtigt et redskab tyngdebølger er til at få meget mere viden om, hvordan sorte huller skabes og kolliderer i vores univers:

”Vi har nu vist, at forskellen i tyngdebølgerne er det væsentlige for at vurdere, hvor i universet de sorte huller kommer fra. Og nu ved vi, at der kan være kæmpe forskel på de signaler, der udsendes fra sorte huller, som kolliderer i flade gasskiver versus de sorte huller, vi ofte betragter i stjernesystemer. Altså ved vi nu, at der er stor forskel på, hvordan sorte huller bringes til kollision i de forskellige områder af universet,” siger medforfatter Hiromichi Tagawa, postdoc ved Tohoku University.