Forskere finder de sorte hullers “missing link”
I centrum af store galakser findes et supertungt sort hul, som vejer mange millioner gange så meget som Solen. Hvordan kæmperne opstod, har hidtil været en gåde, men nu har forskere fundet den manglende brik i puslespillet.
For længe siden i en dværggalakse langt, langt væk udspiller der sig et drama af kosmiske dimensioner. En stjerne kommer for tæt på et lurende sort hul og bliver suget ind af de ekstreme tyngdekræfter.
Stjernen kan ikke undslippe. I en spiralbevægelse trækkes den tættere og tættere på, til den til sidst bliver flået i stykker.
Det sorte hul sluger en stor del af stjernen og slynger resten fra sig i en gigantisk bue af glohedt materiale, som i et glimt overstråler alt andet lys fra dværggalaksens stjerner.
850 millioner år senere, i juni 2020, har et hold astronomer på Jorden tilfældigvis rettet deres teleskoper mod dværggalaksen. De leder efter supernovaer, dvs. eksploderende stjerner, men pludselig ser de glimtet fra stjernens dødskamp.
Nu, efter to års grundige analyser, er forskerne ikke i tvivl om, hvad der ligger bag.
En stjerne er blevet opslugt af et sort hul, men endnu vigtigere: Det sorte hul er af en type, som forskerne meget sjældent har set spor af før.
Beregninger viser nemlig, at det må veje mellem 100.000 og en million gange Solens vægt, og dermed tilhører det klassen af mellemstore sorte huller.
Netop denne vægtklasse har i årtier været eftersøgt af forskerne, fordi den kan løse en af astronomiens store gåder: Hvordan er de tungeste sorte huller i hjertet af galakserne blevet så store? Og svaret på dét spørgsmål har afgørende betydning for, hvordan vores egen galakse, Mælkevejen, opstod.
Sorte huller er usynlige
Sorte huller er et af universets mærkeligste fænomener. De opstår, når en stor masse koncentreres i et meget lille område, så tyngdekraften bliver uendelig stor. Alt, som suges ind i et sort hul, vil for altid være usynligt, fordi ikke engang lys kan undslippe tyngdekræfterne.
Det betyder også, at sorte huller er umulige at se. De afslører sig kun ved den måde, deres tyngdekræfter påvirker omgivelserne på.
Sorte huller opdeles i tre vægtklasser, hvor den letteste omfatter huller med en masse, der svarer til stjerners masse. I den tungeste kategori findes de supertunge sorte huller, som kan veje mange millioner gange så meget.
Sorte huller findes i tre vægtklasser
Letvægt: Skabt af eksploderende stjerner
Den letteste klasse af sorte huller dannes, når stjerner på mindst tre gange Solens masse brænder ud, eksploderer og kollapser. Sorte huller i denne klasse vejer typisk mellem tre og ti solmasser, men klassen rækker helt op til 100.
Mellemvægt: Skjuler sig for astronomerne
Sorte huller på mellem 100 og en million solmasser har hidtil været svære at finde sikre beviser på. Hvis de findes i stort tal, kan det være et tegn på, at de udgør et mellemtrin, som forbinder den letteste klasse med den tungeste.
Sværvægt: Hersker i hjertet af galakser
De såkaldte supertunge sorte huller findes i centrum af store galakser, fx i Mælkevejen. Sværvægterne kan veje fra en million til flere milliarder solmasser. Astrofysikerne er usikre på, hvordan de supertunge sorte huller dannes.
Astronomerne har fundet hundredvis af sorte huller i letvægts- og sværvægtsklassen, men kun en håndfuld af dem i mellemklassen, og sporene, i form af stråling, er endda i flere tilfælde ikke helt sikre. Mellemvægterne er derfor blevet kaldt de sorte hullers “missing link”.
Hvis de findes i stort antal, kan de være et mellemstadie mellem de lette og de supertunge sorte huller, og det vil bekræfte en teori om, at sværvægterne er opstået, ved at tusinder af mindre sorte huller er smeltet sammen gennem milliarder af år.
Lyskurve afslører “missing link”
Den nye opdagelse af et mellemstort sort hul i en dværggalakse skete ved en ren tilfældighed. Et internationalt hold af astronomer var på jagt efter supernovaer med to optiske teleskoper på Hawaii, da de opfangede lysglimtet fra dværggalaksen 850 millioner lysår væk.
Glimtet steg meget hurtigt i styrke, og de følgende dage og uger fulgte forskerne nu dværggalaksen med endnu flere teleskoper, bl.a. rumteleskopet Hubble.
Hubbleteleskopet opfangede lysglimtet, da en stjerne blev flået i stykker af det nyopdagede mellemstore sorte hul.
Efter bare 13 dage toppede kurven over strålingen, hvorefter den langsomt begyndte at falde.
Det forløb passede ikke med en supernova – det lignede mere den strålingskurve, astronomer tidligere har set, når et supertungt sort hul flår en stjerne i stykker. Men med én vigtig forskel: Kurven toppede dobbelt så hurtigt, præcis som teoretiske modeller har forudsagt, at den vil gøre, hvis et mellemstort sort hul er på spil.
En del af stjernen blev slynget ud af det sorte hul og udsendte et lysglimt, der toppede efter 13 dage (grafen). Det passer med, at stjernen blev ædt af et mellemstort sort hul.
Ud fra modellerne og strålingskurven kunne astronomerne nu indkredse massen af det sorte hul til at være mellem 100.000 og en million solmasser. Det er første gang, forskere har brugt den hastighed, strålingen aftager med, til at beregne et sort huls masse.
At det mellemstore sorte hul er fundet i en dværggalakse, gør det ekstra interessant, for det understøtter teorien om, at de supertunge sorte huller er skabt, ved at flere dværggalakser er smeltet sammen.
13 dage gik der, før lyset fra galaksen toppede. Det fortalte forskerne, at det sorte hul var mellemstort.
Hvis hver dværggalakse har bidraget med et mellemstort sort hul, kan de sorte huller have opslugt hinanden og dannet et endnu større sort hul. Resultatet er dermed over tid blevet til det, vi ser i dag: supertunge sorte huller i hjertet af store galakser.
Over for denne teori står en anden, som siger, at de store galakser og de supertunge sorte huller i centrum af dem er skabt på én gang ud fra en kæmpemæssig sky af gas.
To teorier forklarer supertunge sorte huller
TEORI 1: Alle sorte huller er født små
I universets barndom kollapsede udbrændte stjerner i dværggalakser og fødte små sorte huller, der smeltede sammen til mellemvægtshuller. Da galakserne voksede sammen, fusionerede de sorte huller også.
- Styrke: Forskerne ved, at små sorte huller kan smelte sammen. Det blev første gang dokumenteret i 2015 ved måling af tyngdebølger, som ruller gennem universet, når store masser er i bevægelse.
- Svaghed: Teorien kræver, at sorte huller i mellemklassen kan smelte sammen, og det er endnu aldrig observeret.
TEORI 2: Sværvægterne har altid været store
De store galakser er dannet af gigantiske gasskyer i det tidlige univers. I hver af skyerne har stoffet i de ydre områder samlet sig til stjerner, mens den centrale del af skyen er kollapset til et supertungt sort hul.
- Styrke: Observationer viser, at der fandtes supertunge sorte huller allerede for 10-12 milliarder år siden. Universet er kun 13,8 milliarder år, så de første sorte huller må være dannet i en hurtig proces.
- Svaghed: Ifølge computersimulationer kan en gassky kollapse til et sort hul, men astronomerne har aldrig set tegn på det.
Teorierne om de supertunge sorte hullers opståen hænger derfor tæt sammen med, hvordan store galakser som vores egen Mælkevej har udviklet sig.
For at afklare spørgsmålet må astronomerne blive klogere på de mellemstore sorte huller, og med den nye opdagelse har de fået bedre værktøjer til det.
Forskerne ved nemlig nu både, at de skal lede i dværggalakser, og hvad de skal være på udkig efter: lysglimt med et forløb, der kendetegner en stjernes fatale møde med et mellemstort sort hul.
I Chile er et nyt teleskop kaldet Vera C. Rubin snart klar til at indgå i eftersøgningen. Teleskopet har et stort spejl på 8,4 m og er dermed bedre egnet til at studere lyset fra de svage dværggalakser.
Det nye superteleskop Vera C. Rubin i Chile vil kunne opfange lysglimtet fra tusindvis af stjerner, når de bliver opslugt af mellemstore sorte huller i fjerne dværggalakser.
Når Rubin-teleskopet er i drift i 2024, kan det både overvåge en større del af himmelhvælvet og se dybere ud i rummet. Astronomerne forventer, at teleskopet i løbet af ti år kan finde 80.000 lysglimt fra stjerner, som opsluges af sorte huller.
Hvis en stor del af dem tilhører mellemklassen, vil det både hjælpe os til at forstå, hvordan sorte huller vokser, og hvordan vores eget hjem i universet, Mælkevejen, er blevet til.