Forsiden Romvirksomhet Solsystemet Exoplaneter Liv i rommet Himmelbegivenheter Interstellare ferder
Artikkelarkiv Astroshow og foredrag For skoler Astrobutikken Linker Om oss


Kosmiske rystelser avslører mystiske sorte hull


16.01.22: Siden 2015 har tre helt spesielle og avanserte instrumenter i USA og Italia blitt brukt til å avsløre noen av Universets mest ekstreme, spektakulære og merkelige fenomener – sammensmeltningen mellom hyperkompakte objekter som nøytronstjerner og sorte hull. I 2019 oppdaget forskerne den hittil voldsomste og mest spesielle hendelsen, som enten involverte et sort hull som ikke skulle kunne finnes eller en hittil ukjent type stjerner bestående av mørk materie!

av Knut Jørgen Røed Ødegaard

 

Kunstnerisk fremstilling av de to sorte hullene som smeltet sammen og forårsaket gravitasjonsbølgehendelsen GW190521. Tidrommet er vist som et nett som Universet er avbildet på og som blir forstyrret av bølgene fra GW190521. De turkise og oransje mininettene illustrerer bremseeffektene av de to roterende sorte hullene. De beregnede rotasjonsaksene til hullene er vist med sine respektive farger. Bakgrunnen antyder en stjernehop, et av de mulige miljøene der GW190521 kan ha blitt utløst.
Illustrasjon: Raúl Rubio / Virgo Valencia Group / The Virgo Collaboration


Oppdagelsen ble gjort av det internasjonale samarbeidet som opererer Advanced Virgo detector ved European Gravitational Observatory (EGO) i Italia og de to LIGO-observatoriene i USA. Forskerne oppdaget gravitasjonsbølger fra det som tolkes som to sorte hull på hhv. 66 og 85 solmasser som sirklet i spiral rundt hverandre og smeltet sammen til ett sort hull på 142 solmasser. Den manglende massen (142 solmasser – (66+85) solmasser = 9 solmasser) ble omgjort til ekstremt kraftige og energirike gravitasjonsbølger (etter Einsteins berømte formel som setter likhet mellom masse og energi. E=mc2) – forstyrrelser i selve rommet – og som spredte seg med lysets hastighet ut i resten av Universet slik at de 7 milliarder år senere kunne observeres fra Jorden. Her snakker vi altså om et av de aller mest energirike fenomenene vi kjenner i Universet!

Begge de sorte hullene hadde masser som aldri tidligere har blitt observert hos sorte hull, verken med gravitasjonsbølger eller elektromagnetisk stråling. Det sorte hullet som oppsto er også det mest masserike som noen gang har blitt registrert med gravitasjonsbølger.

21. mai 2019 ble hendelsen fanget opp av tre interferometre som deltar i et globalt nettverk. Signalet fikk derfor betegnelsen GW190521 og har blitt grundig analysert og beskrevet i flere vitenskapelige artikler.

Signalet var svært komplekst, og fordi systemet hadde så stor masse, ble signalet bare observert i veldig kort tid – omtrent 0,1 sekunder. Dette kontante «smellet» skilte seg derfor ganske mye fra andre signaler som har blitt observert og som nærmest «kvitrer» over noe lengre tid (gjerne 0,5 sekunder i tilfellene der sorte hull smelter sammen). Analysene av signalet har i kombinasjon med datamodellering avslørt mye interessant informasjon om de ulike stadiene i denne unike sammensmeltningen.



Animasjon av to sorte hull som sirkler rundt hverandre og til slutt smelter sammen.
Film: SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project


Ny type sorte hull

Rekordmassen som Virgo og LIGO oppdaget er også unik på en annen måte: Det sorte hullet som oppsto tilhører de såkalt mellomstore sorte hullene (med fra 100–100 000 solmasser) og har satt fokus på et fascinerende mysterium: Hvordan oppstår superstore sorte hull? Disse monstrene, som befinner seg i sentrum av galaksene, har fra noen millioner til flere milliarder ganger mer masse enn Solen og kan ha oppstått ved sammensmeltning av mindre, mellomtunge sorte hull.

Frem til nå har svært få kandidater til mellomtunge sorte hull blitt identifisert gjennom observasjoner av elektromagnetisk stråling, og det sorte hullet som oppsto i GW190521 gir også ekstraordinær innsikt på andre områder. Den største komponenten er for eksempel en utfordring for modellene som beskriver hvordan de mest masserike stjernene kollapser på slutten av sine korte liv og ender som sorte hull. Ifølge disse teoriene blir svært masserike stjerner revet fullstendig i stykker av en supernova-eksplosjon gjennom en prosess som kalles par-instabilitet og etterlater kun en ekspanderende sky av gass.

Forskerne har derfor ikke ventet å kunne finne sorte hull med mellom ca. 60 og 120 solmasser, men faktisk var det nettopp i dette masseintervallet at det største av de sammensmeltende sorte hullene befant seg. Oppdagelsen gir derfor svært viktig kunnskap om utviklingen til masserike stjerner og hvordan stjerner eksploderer som supernovaer.

En mulig forklaring kan være at det sorte hullet er dannet gjennom sammensmeltning av mindre hull som igjen er dannet av eksploderende, masserike stjerner. Hullet kan også være dannet ved at to masserike stjerner har kollidert eller fra mer «eksotiske» og spesielle fenomener. En tredje mulighet er at teoriene for sluttstadiene til masserike stjerner må endres.



Datasimulering som viser hvordan tid og rom blir forvrengt av tyngdekreftene rundt to kolliderende sorte hull slik som observert av LIGO 14. september 2015. Animasjon: LIGO Lab Caltech, MIT


Hurtig rotasjon

Tross den svært korte varigheten og derfor begrensede informasjonsmengden fra GW190521, har forskergruppene gjennom datamodeller funnet ut at de to kolliderende sorte hullene roterte raskt og at rotasjonsaksene trolig hadde presesjon («slingret»). Det sistnevnte kan i tilfelle tyde på at de to sorte hullene oppsto og befant seg i et svært urolig og tett kosmisk miljø, slik som for eksempel en tett stjernehop eller virvelskiven til en aktiv galaksekjerne.

Hendelsen ser ut til å ha funnet sted ca. 7 milliarder lysår fra Jorden og altså mens Universet hadde under halvparten av sin nåværende alder.

Den tette kulehopen M15 befinner seg 35 000 lysår fra Jorden og er tettpakket med hundretusener av stjerner. I midten av slike tette hoper kan stjerner smelte sammen, og sorte hull kan bli dannet.
Foto: NASA, ESA

I midten av galakser finnes svært masserike sorte hull – rundt disse superhullene virvler ofte en skive av gass og støv fra stjerner og planeter som har kommet for nær og blitt revet i filler. Mye energi, og noe materiale, blir blåst ut fra kjernen rett før stoffet forsvinner inn i hullet.
Illustrasjon: NASA/GSFC Conceptual Image Lab


Er forklaringen eksotiske boson-stjerner?

En internasjonal forskergruppe ledet av Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) og University of Aveiro har vist at gravitasjonsbølge-hendelsen GW190521 kan ha vært noe enda mer eksotisk – en sammensmeltning av to bosonstjerner, og som i tilfelle er det første beviset for at slike hypotetiske og gjennomsiktige objekter finnes! Slike objekter er lansert som en av de mest sannsynlige forklaringene på mørk materie som utgjør 27 % av massen i Universet. Forskergruppen klarte å estimere massen til en ny partikkel som disse stjernene består av, et ultra-lett boson med flere milliarder ganger mindre masse enn elektronets.

Kunstnerisk fremstilling av sammensmeltningen mellom to boson-stjerner.
Illustrasjon: Nicolás Sanchis-Gual and Rocío García Souto.


Forskerne sammenlignet signalet fra GW19052 med datasimuleringer av sammensmeltninger mellom boson-stjerner (også kalt Proca-stjerner) og fant at disse forklarte observasjonene litt bedre enn analysene som ble utført av LIGO og Virgo. En slik sammensmeltning ville i tilfelle ha gitt som resultat et sort hull med langt større masse enn estimert over – omtrent 250 solmasser – så konklusjonen om at dannelsen av et mellomtungt sort hull ble observert, stemmer fortsatt. Boson-stjerner forårsaker mye svakere gravitasjonsbølger, og hendelsen må derfor i tilfelle også ha funnet sted mye nærmere oss enn anslått.

Dersom boson-stjerner finnes, er de nesten like kompakte som sorte hull, men i motsetning til disse, har ikke boson-stjerner en hendelseshorisont som hindrer at noe kan passere ut igjen. Når boson-stjerner kolliderer, danner de en masserik boson-stjerne som kan bli ustabil og til slutt kollapser til et sort hull og som gjør at det oppstår et gravitasjonsbølge-signal lik det som ble observert.

I motsetning til stjerner, som består av vanlig stoff, består boson-stjerner av ultralette partikler kalt bosoner. Denne typen bosoner er en av de mest aktuelle forklaringene på den mystiske mørke materien som er observert i flere tiår og som ser ut til å utgjøre omkring 27 % av Universets masse.

Selv om boson-stjerne-forklaringen passer observasjonene litt bedre enn en sammensmeltning mellom to sorte hull, kan ikke eksisterende data avgjøre hvilken av teoriene som faktisk stemmer. Modellene for boson-stjerner må dessuten forbedres for å komme nærmere en avklaring, men videre observasjoner av gravitasjonsbølge-hendelser har potensial til å gi verdifull kunnskap som eventuelt kan bekrefte at disse stjernene eksisterer.


Enorme prosjekter

LIGO og Virgo er to svært store internasjonale samarbeidsprosjekter som siden 2015 for første gang har klart å måle gravitasjonsbølger – et fenomen som ble forutsagt av Einsteins generelle relativitetsteori som ble fremlagt i 1916 – altså for over 100 år siden.

Virgo-samarbeidet består av omtrent 580 forskere fra 109 institutter i 13 land, inkludert Belgia, Frankrike, Tyskland, Hellas, Ungarn, Irland, Italia, Nederland, Polen, Portugal, Spania, Monaco og Japan. The European Gravitational Observatory (EGO) opererer Virgo-detektoren nær Pisa i Italia. Mer om Virgo-samarbeidet.

LIGO støttes av National Science Foundation (NSF, tilsvarende det norske Forskningsrådet) og opereres av Caltech og MIT, som foreslo og leder prosjektet. I tillegg bidrar tyske Max Planck Society, britiske Science and Technology Facilities Council og australske Australian Research Council-OzGrav. Til sammen 1300 forskere fra hele verden er involvert i prosjektet gjennom LIGO Scientific Collaboration. Mer informasjon om prosjektet.

Den nordlige armen av LIGO-interferometeret i Hanford, USA
Foto: Wikipedia


Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!


MER INFORMASJON

astroevents.no: Bevis for gravitasjonsbølger kom i ettermiddag!

astroevents.no: Kosmiske rystelser ga svar på et 50 år gammelt mysterium

Artikkel på dailymail.co.uk

Pressemelding fra LIGO-Virgo

Fagartikkel om oppdagelsen

Artikkel på nature.com

Observerte gravitasjonsbølge-hendelser

Nettsiden til LIGO

Nature.com om eksisterende og planlagte gravitasjonsbølge-observatorier

Wikipedia om hendelsen

Flere saker om sorte hull

phys.org: Merging boson stars could explain massive black hole collision and prove existence of dark matter

Pressemelding fra forskerne bak boson-stjerne-teorien

Wikipedia om stjerner bestående av eksotisk materiale

Wikipedia om hypotetiske stjerner


Astro-romfartsshow

Våre astroshow sett av over 75 000!

“Out of Space”: Astro-romfartsshow

Forestillinger for skoleelever
Science fiction-trilogien Ad Astra

Opplev den første reisen til et annet solsystem, leting etter livsformer på exoplaneter og Solsystemets og menneskehetens fremtid!

Bøkene er rikt illustrert med flotte fargebilder.

Pluto – menneskehetens siste tilfluktssted!

- stjernereiser - exoplaneter - romheiser
- ormehull - multivers - liv i rommet
- fremtidsteknologi - intergalaktiske opplevelser
- astronomiske fenomener - galaksens fremtid
- krim


Av science fiction-forfatter Anne Mette Sannes
Mer info og bestilling

Filmen Vårt magiske univers

Nyt det vakreste billedmaterialet som noen gang er tatt av vårt fantastiske univers! Fikk terningkast 6 i bladet Astronomi.

Produsert og kommentert av Anne Mette Sannes & Knut Jørgen Røed Ødegaard Mer info
Våre nettsteder
astroevents.no Hovednettsted om Universet
svalbard2015.no Solformørkelsen 20. mars 2015
astrobutikken.no Bøker og filmer m.m.

Følg oss på facebook

Følg oss på facebook

 

 

Kontakt: Knut Jørgen Røed Ødegaard Tlf: 99 27 71 72 E-post: knutjo@astroevents.no Anne Mette Sannes Tlf. 97 03 80 50 E-post: amsannes@astroevents.no