Uniavisen
Københavns Universitet
Uafhængig af ledelsen

Videnskab

Sorte huller danner par på chokerende måder

Astrofysik — Sorte huller kan være langt tungere end forventet, og de bevæger sig i helt usædvanlige baner. To forskere på Niels Bohr Institutet brager igennem internationalt, og Uniavisen tager sin nørd på og lader sig falde dybt ned i de sorte huller for at forstå, hvad det er, der sker.

Astrofysikken er ved at revolutionere fortællingen om universets sorte huller i 2020. For forskerne kan den ny viden virke næsten chokerende.

»Sorte huller skabes meget tungere, og de danner også par på langt mere kaotiske måder, end man hidtil har troet, og det er virkelig kommet som en overraskelse for mange eksperter,« siger Johan Samsing, adjunkt og astrofysiker på Niels Bohr Institutet (NBI) ved Københavns Universitet.

Han er ekspert i, hvordan sorte huller kan interagere med hinanden.

Siden 1. september har Johan Samsing kørt parløb med adjunkt Daniel D’Orazio, som er verdensførende forsker i universets supermassive sorte huller, og i løbet af det næste års tid udvider de deres forskergruppe. Konkurrencen er nemlig benhård fra andre af verdens forskere, der interesserer sig for det samme.

»Man sidder hver dag og tænker på, om det, man arbejder på lige nu, vil blive overhalet af andre forskere et eller andet sted ude i verden om en time,« siger Johan Samsing.

Studie i tiden lige efter Big Bang

Indtil for få år siden var sorte huller ellers noget nær umulige at forske i, da de intet lys udsender og derfor er umulige at følge med teleskoper fra Jorden.

LIGO og Virgo

Observationerne af tyngdebølger fra 2015 og frem til i dag stammer fra de to observatorier: LIGO i USA og Virgo i Italien. LIGO står for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

Men ved hjælp af nye metoder til måling af tyngdebølger, som det først blev muligt at registrere med to nye observatorier i 2015, kan forskerne komme tættere på: Hvor og hvordan opstår de sorte huller i universet, hvordan møder de hinanden, og hvordan kolliderer de?

Svarene på de spørgsmål kan føre til, at vi mennesker får en langt bedre og dybere forståelse af hele vores univers – og dermed af Jordens historie.

Ifølge Johan Samsing er universets sorte huller på mange måder den ultimative manifestation og forudsigelse af Einsteins teori om tyngdekraften.

Inde i et sort hul smelter rum og tid nemlig sammen – ifølge Einstein – i et uendeligt lille punkt, der minder meget om de tidligste stadier af vores eget univers lige efter Big Bang.

»Derfor er forskning i sorte huller et direkte studie af, hvordan hele vores univers hænger sammen,« siger Johan Samsing.

De æder af sig selv

Baggrunden for forskningen er altså observationer af tyngdebølger efter sorte huller, der er stødt sammen, efter måske at have kredset om hinanden i alt fra millioner til milliarder af år.

I 2020 er der blevet observeret mere end 20 af den type af kollisioner via tyngdebølger, og ifølge Johan Samsing vidner det om en rig population af sorte huller, der har masser fra fem og helt op til 100 millioner solmasser.

Sorte hullers historie 1915-2020

Albert Einstein forudsagde teoretisk sorte hullers eksistens i 1915 som et resultat af sin generelle relativitetsteori. Først i 1960’erne kom der indikationer ud fra observationer for deres eksistens, og i 1965 beskrev den engelske matematiker Roger Penrose, hvordan sorte huller er en uundgåelig konsekvens af Einsteins generelle relativitetsteori. Det fik han en (delt) Nobelpris for i 2020.

Resultatet af en kollision mellem to sorte huller er et nyt sort hul, der overraskende nok har en mindre masse end de to oprindelige sorte huller tilsammen.

Den forsvundne masse er nemlig omsat til ren energi – efter Einsteins formel E=mc2. På en måde kan man sige, at de sorte huller forbruger lidt af deres masse til at frigive og udsende enorme mængder af ren energi, når de støder sammen, og det sker i form af udsendte tyngdebølger, som vi kan måle her på Jorden.

Observationerne kan i øvrigt kun afsløre noget om de sorte huller ved hjælp af præcise matematiske modeller, efter astrofysikerne har analyseret og sidestillet dem med de modeller for universets udvikling, som de har i forvejen.

Johan Samsing og Daniel D’Orazio er eksperter i at kunne udtænke præcis de matematiske modeller, som supercomputere bagefter kan regne på, inden det bliver muligt at finde ud af mere om de sorte huller.

»Det virkelig svære er at komme op med en simpel, brugbar og præcis matematisk model, når vi skal kombinere matematikken med de fysiske modeller, der beskriver vores utroligt komplicerede univers,« siger Johan Samsing.

Elliptiske baner sladrer

Et berømt citat inden for astrofysikken lyder: ’Et sort hul har intet hår’.

Og sorte huller er vitterlig meget simple. Faktisk kan fysikken beskrive dem udelukkende ved deres masse og deres rotation.

Men ifølge Johan Samsing har der nu vist sig et enkelt hår i suppen, og det er spørgsmålet om, hvor cirkulære deres baner er. Når to sorte hullers baner om hinanden ikke er 100 procent cirkulære, er de mere eller mindre elliptiske, og det spørgsmål har vist sig at være afgørende for astrofysikken.

Og her har Johan Samsing og Daniel D’Orazio leveret et afgørende bidrag til videnskaben.

De har ikke bare opstillet en teori for, hvilken masse sorte huller har, og hvordan de sandsynligvis roterer, men de har også en teori for, hvor elliptiske deres baner er – og det har vist sig at være noget af det allermest interessante ved de sorte huller.

Det kan sammenlignes lidt med Jordens bane omkring solen. Den er ikke cirkulær, men elliptisk, og Jorden roterer omkring sig selv langs en akse, der heller ikke ligger vinkelret på den storcirkel, eller det plan, som den bevæger sig på omkring Solen.

Hullernes perfekthedskultur

På Jorden mærker vi disse forskelle som sommer/vinter og dag/nat, men for sorte huller, der kredser omkring hinanden, vil disse forskelle vise sig som små forandringer i deres tyngdebølge-signal.

Sorte huller vil konstant stræbe efter at bevæge sig i perfekt cirkulære baner. Hver gang deres bane bliver elliptisk, vil de forsøge at rette op på den uønskede tilstand ved at udsende ren energi i form af tyngdebølger, hvorved de mister noget af deres bevægelsesenergi.

Det samme gælder for de sorte hullers form: Så snart de begynder at blive ellipsoide, udsender de ligeledes tyngdebølger – indtil de er perfekt runde igen.

»Og det er netop disse forandringer, der gemmer på nøglen til at kunne forstå de sorte hullers skabelse,« siger Johan Samsing.

Ved at opstille matematiske modeller, som skal tilnærme stederne i vores univers, hvor sorte huller kunne tænkes at opstå, er Johan Samsing og Daniel D’Orazio nu i gang med at finde ud af, hvordan de er blevet skabt sammen med deres observerede bane, rotation og masse.

»Bliver sorte huller for eksempel skabt i meget tætte stjernehobe i en galakse eller i ny og næ ved tilfældigheder rundt om alle vegne i en galakse?« spørger Johan Samsing. Han og Daniel D’Orazio jagter svaret.

Usandsynlige sorte huller

Ud af cirka 20 observationer af tyngdebølger, som LIGO og Virgo har foretaget siden 2015, er der især én, der skiller sig ud, og Johan Samsing virker begejstret, når han fortæller om en tyngdebølge-observation, der fandt sted 2. september 2020.

Den dag sås et af de mest mærkværdige sammenstød mellem to sorte huller, der endnu er observeret, og som skabte et nyt sort hul på cirka 150 solmasser. Det fik navnet GW19052, og sammenstødet lader til at være sket på en måde, som forskerne ellers ikke har anset for sandsynlig.

Halvdelen af alle de hundredvis milliarder af stjerner, som findes i universet, er i virkeligheden dobbeltstjerner. Altså stjerner, som optræder i par og kredser om hinanden og derfor kaldes binære stjernesystemer – eller bare binære stjerner.

Fysikernes teorier har sagt, at nogle af de binære stjernesystemer ender med, at begge stjerner er blevet til sorte huller og kredser videre om hinanden i perfekt cirkulære baner.

Derfor er det meget sandsynligt, at to sorte huller kan ende med at støde sammen, når der er gået millioner eller milliarder af år på den måde, og det har været en accepteret antagelse inden for fysikken.

Men på grund af de fysiske love, der gælder for stjernerne, kan de ikke blive større end 45-65 solmasser, og det mærkelige ved GW190521 er, at her stødte to sorte huller sammen med masser på henholdsvis 66 og 85 solmasser.

Det er pænt over grænsen for, hvor store sorte huller stjerner kan skabe ifølge teorien, og derfor har det været en gåde, hvor de er kommet fra.

Johan Samsing og Daniel D’Orazio har fundet et muligt udgangspunkt til en opklaring af mysteriet.

Når det gælder GW190521, kan to sorte huller, der stødte sammen og blev til ét, godt være resultatet af flere sammenstød mellem mindre sorte huller, inden de blev 66 og 85 solmasser tunge.

»Det er sandsynligt, at det er sket sådan ud fra det, vi har været med til at finde ud af. Det kan nemlig ske i enorme gasskiver, der bliver holdt sammen af et et super-massivt sort hul med en masse på millioner af sole inde i midten,« siger Johan Samsing.

Hidtil har forskerne i stedet forestillet sig, at det sker i Mælkevejens såkaldte stjernehobe. Mælkevejen har måske 100 stjernehobe, der hver rummer cirka 100.000 stjerner, og en sådan hob kan måske indeholde 100 sorte huller.

»I disse hobe kan sorte huller i princippet godt støde sammen flere gange, så de danner større og tungere sorte huller, men i hvert sammenstød bliver det ny, sammensatte sorte hul accelereret så meget op i fart af de kraftige tyngdebølger, der udsendes i forbindelse med sammenstødet, at det forlader stjernehoben. Det siger teorien. Så sandsynligheden for, at flere sorte huller er stødt sammen flere gange i den samme stjernehob, før de til sidst er blevet henholdsvis 66 og 85 solmasser store, er meget, meget lille,« siger Johan Samsing.

Stjernespækket ménage à trois

Men Johan Samsing har en mulig forklaring på, hvorfor sorte hullers baner er så elliptiske, når de ellers skulle have været mere runde.

Johan Samsing

Fik i 2014 fik sin ph.d. i teoretisk astrofysik fra Dark Cosmology Centre (DARK) på Niels Bohr Institutet. Tog derefter til Princeton University i USA, hvor han arbejdede i fem år, først som Einstein Fellow og derefter som Spitzer Fellow. Var også medlem af det prestigefyldte Princeton Society of Fellows.

Sent i 2019 fik han en stilling på Niels Bohr International Academy som ’Louis-Hansen Assistant Professor’ og modtog samtidig det Europæiske Marie Curie Fellowship. I 2020 blev han yderligere tildelt et Villum Young Investigator Grant på 10 mio. kroner.

Daniel D’Orazio

Fik i 2016 sin ph.d. i astrofysik ved Columbia University i New York, og før det var han Full Bright Fellow på Universitetet i Zürich, Schweiz. Efter sin ph.d. var han Einstein Fellow og ITC Fellow på Harvard University.

I dag regnes han for at være verdens førende ekspert i super-massive sorte huller med milliarder af solmasser, der findes i kernen af galakserne. Han blev ansat  som adjunkt (assistant professor) i astrofysik hos NBIA på NBI 1. september 2020.

Han har for nylig vist, hvordan sorte huller ofte kan støde sammen ved hjælp af et tredje sort hul, der har påvirket to sorte hullers cirkulære baner og dermed gjort dem elliptiske.

Det kan ske som resultat af en spektakulær dans mellem tre sorte huller, og Johan Samsing har lavet en simulation, der viser hvordan i en YouTube-video, Black Hole GW Merger.

Ifølge Johan Samsing er resultatet af påvirkningen fra et tredje sort hul ofte, at to sorte huller, der ender med at støde sammen, ikke støder sammen på en perfekt cirkulær bane, som teorien tilskriver.

Teorien antager, at to sorte huller stammer fra et binært stjernesystem, der ikke er blevet påvirket af noget udefra.

»I stedet støder de sammen på en elliptisk bane, når de også påvirkes af et tredje sort hul, og nu kan vi astrofysikere måle os frem til, hvor elliptisk banen er, og alt det sker stadig ved hjælp af tyngdebølgeobservationerne, der er lavet siden 2015, i kombination med avanceret matematik og supercomputere. Det gør det også muligt at sige noget om, i hvilke områder af universet de sorte huller kolliderer,« siger Johan Samsing og fortsætter med at forklare teorien:

»Vi kan se, at i en stjernehob interagerer de sorte huller på komplicerede baner, og herigennem fandt jeg ud af, at en stor del af kollisionerne foregår på elliptiske baner. Det her giver et direkte peg om, at kollisionerne af de sorte huller skabes gennem kaotiske interaktioner i meget tætte områder af vores univers,« siger han.

For GW190521 var ikke blot en kollision mellem to meget tunge, sorte huller, som før antaget, men de stødte sammen på en elliptisk bane.

»At beregne under hvilke forudsætninger, en ikke-cirkulær kollision kan foregå, er meget, meget svært, men jeg og Daniel D’Orazio har som de første gjort det,« siger Johan Samsing.

Og hvad kan vi så lære af det?

»Binære stjerner, der er kollapset til sorte huller, vil aldrig kunne skabe baner for sorte huller, der ikke er cirkulære. Som de første har vi regnet ud, hvor GW190521 kom fra ud fra dens ikke-cirkulære signal, eller vi har i det mindste lavet en plausibel teori for, hvad der skete,« siger Johan Samsing.

Tre sorte huller i en dans

Historien om GW190521 stopper ikke her, for den spektakulære kollision rummer endnu flere overraskelser.

Et stykke tid efter observationen af tyngdebølgerne fra sammenstødet ved GW190521 blev der nemlig iagttaget et lyssignal, og det er umiddelbart mystisk, for sorte huller udsender slet ikke noget lys.

Men her giver gasskive-teorien en forklaring.

Ved sammenstødet af de to sorte huller er der blevet observeret tyngdebølger. Det nye sorte hul skydes ud igennem gasskiven, og det resulterer i en opvarmning af gassen, der får den til at lyse op.

»Vores teori giver en komplet ’tre-i-en pakkeløsning’ på problemerne om tunge sorte huller, elliptiske baner og efterfølgende observation af lys, og den er nu på vej til at blive publiceret i et højt profileret tidsskrift,« siger Johan Samsing og Daniel D’Orazio.

Til sidst er det værd at nævne, at GW190521 kun er én observation af en stribe nye, mærkværdige kollisioner, der er observeret i 2020.

Det har givet astrofysikerne noget at tænke over, og det har fuldstændig ændret den viden, man troede, man havde om sorte huller.

»Man ved simpelthen ikke præcis, hvordan alle kollisioner er opstået, og hvordan de er skabt, for der har vist sig at være mange muligheder. For bare et par år siden sagde man, at man ville aldrig se kollisioner mellem sorte huller på ikke-cirkulære baner, men jeg og Daniel D’Orazio har vist, at de findes,« siger Johan Samsing.

Annonce

Seneste