Forskere finner de svarte hullenes «missing link»
I sentrum av store galakser finnes et supertungt svart hull som veier mange millioner ganger så mye som solen. Hvordan kjempene oppsto, har hittil vært en gåte, men nå har forskere funnet den manglende brikken i puslespillet.
For veldig lenge siden, i en dverggalakse langt, langt borte utspiller det seg et drama av kosmiske dimensjoner. En stjerne kommer for nær et truende svart hull og blir sugd inn av de ekstreme tyngdekreftene.
Stjernen slipper ikke unna. I en spiralbevegelse trekkes den nærmere og nærmere til den til slutt blir revet i stykker.
Det svarte hullet svelger en stor del av stjernen og slynger resten fra seg i en gigantisk bue av glovarmt materiale som i et glimt overstråler alt annet lys fra dverggalaksens stjerner.
850 millioner år senere, i juni 2020, har et team astronomer tilfeldigvis rettet teleskopene sine mot dverggalaksen. De leter etter supernovaer, altså eksploderende stjerner, men plutselig ser de glimtet fra stjernens dødskamp.
Nå, etter to år med grundige analyser, er forskerne sikre på hva som ligger bak.
En stjerne har blitt slukt av et svart hull, men enda viktigere: Det svarte hullet er av en type som forskerne veldig sjelden har sett spor av.
Beregninger viser nemlig at det må veie mellom hundre tusen og en million ganger så mye som solen, og dermed tilhører det klassen av mellomstore svarte hull.
Nettopp denne vektklassen har i flere tiår vært ettersøkt av forskerne fordi den kan løse en av astronomiens store gåter: Hvordan har de tyngste svarte hullene i hjertet av galaksene blitt så store? Og svaret på det spørsmålet kan også si oss noe om hvordan vår egen galakse, Melkeveien, oppsto.
Svarte hull er usynlige
Svarte hull er et av universets merkeligste fenomener. De oppstår når en stor masse konsentreres i et veldig lite område, slik at tyngdekraften blir utrolig sterk. Alt som suges inn i et svart hull, vil for alltid være usynlig, siden ikke engang lys kan slippe unna tyngdekreftene.
Det betyr også at svarte hull er umulige å se. De avslører seg bare ved den måten tyngdekreftene påvirker omgivelsene på.
Svarte hull deles i tre vektklasser, der den letteste omfatter hull med masse som en stor stjerne. I den tyngste kategorien finner vi de supertunge svarte hullene, som kan veie mange millioner ganger så mye.
Svarte hull finnes i tre vektklasser
Lettvekt: Skapt av eksploderende stjerner
Den letteste klassen av svarte hull dannes når stjerner på minst tre ganger solens masse brenner ut, eksploderer og kollapser. Svarte hull i denne klassen veier vanligvis mellom tre og ti solmasser, men kan komme helt opp i hundre solmasser.
Mellomvekt: Skjuler seg for astronomene
Svarte hull på mellom hundre og en million solmasser har hittil vært vanskelige å finne sikre beviser for. Hvis det finnes mange av dem, kan det være et tegn på at de utgjør et mellomtrinn som forbinder den letteste klassen med den tyngste.
Tungvekt: Hersker i hjertet av galakser
Såkalte supertunge svarte hull finnes i sentrum av store galakser, for eksempel Melkeveien. Tungvekterne kan veie fra en million til flere milliarder solmasser. Astrofysikerne er usikre på hvordan de supertunge svarte hullene dannes.
Astronomene har funnet hundrevis av svarte hull i lett- og tungvektsklassen, men bare en håndfull i mellomklassen, og sporene, i form av stråling, er faktisk i flere tilfeller ikke helt sikre. Mellomvekterne har derfor blitt kalt de svarte hullenes «missing link».
Hvis det finnes mange av dem, kan de være et mellomstadium mellom de lette og de supertunge svarte hullene, og det vil bekrefte en teori om at tungvekterne har oppstått ved at tusenvis av mindre svarte hull har smeltet sammen i løpet av milliarder av år.
Trafikklys avslører «missing link»
Den nye oppdagelsen av et mellomstort svart hull i en dverggalakse skjedde ved en ren tilfeldighet. Et internasjonalt team av astronomer jaktet på supernovaer ved hjelp av to optiske teleskoper på Hawaii da de fanget opp lysglimtet fra dverggalaksen 850 millioner lysår unna.
Glimtet økte raskt i styrke, og de neste dagene og ukene fulgte forskerne dverggalaksen med enda flere teleskoper, blant annet Hubble-romteleskopet.
Hubble-romteleskopet fanget opp lysglimtet da en stjerne ble revet i stykker av det nyoppdagede mellomstore svarte hullet.
Etter bare 13 dager nådde kurven toppen for stråling, og intensiteten begynte å falle sakte.
Det forløpet passet ikke med en supernova – det så mer ut som den strålingskurven astronomer tidligere har sett når et supertungt svart hull river en stjerne i stykker. Men med én viktig forskjell: Kurven nådde toppen dobbelt så raskt, nøyaktig slik teoretiske modeller har forutsagt at den vil gjøre hvis et mellomstort svart hull er involvert.
En del av stjernen ble slynget ut av det svarte hullet og sendte ut et lysglimt som nådde toppen etter 13 dager (grafen). Det passer med at stjernen ble spist av et mellomstort svart hull.
Ut fra modellene og strålingskurven kunne astronomene nå anslå massen til det svarte hullet: Den så ut til å være mellom hundre tusen og en million solmasser. Det er første gang forskere har brukt den hastigheten strålingen avtar med, til å beregne massen til et svart hull.
At det mellomstore svarte hullet er funnet i en dverggalakse, gjør det ekstra interessant, for det støtter teorien om at de supertunge svarte hullene er skapt ved at flere dverggalakser har smeltet sammen.
13 dager gikk det før lyset fra galaksen nådde toppen. Det fortalte forskerne at det svarte hullet var mellomstort.
Hvis hver dverggalakse har bidratt med et mellomstort svart hull, kan de svarte hullene ha slukt hverandre og blitt enda større. Resultatet har dermed over tid blitt det vi ser i dag: supertunge svarte hull i hjertet av store galakser.
Men det finnes en annen teori: De store galaksene og de supertunge svarte hullene i sentrum av dem kan være skapt ut ifra en enorm sky av gass.
To teorier forklarer supertunge svarte hull
TEORI 1: Alle svarte hull er født små
I universets barndom kollapset utbrente stjerner i dverggalakser og fødte små svarte hull som smeltet sammen til mellomvektshull. Da galaksene vokste sammen, fusjonerte de svarte hullene også.
- Styrke: Forskerne vet at små svarte hull kan smelte sammen. Det ble første gang dokumentert i 2015 ved måling av gravitasjonsbølger, som ruller gjennom universet når store masser er i bevegelse.
- Svakhet: Teorien krever at svarte hull i mellomklassen kan smelte sammen, og det er aldri observert.
TEORI 2: Tungvekterne har alltid vært store
De store galaksene er dannet av gigantiske gasskyer i det tidlige universet. I hver av skyene har materien i de ytre områdene samlet seg til stjerner, mens den sentrale delen av skyen har kollapset til et supertungt svart hull.
- Styrke: Observasjoner viser at det fantes supertunge svarte hull allerede for 10–12 milliarder år siden. Universet er bare 13,8 milliarder år, så de første svarte hullene må ha blitt dannet i en rask prosess.
- Svakhet: Ifølge datasimuleringer kan en gassky kollapse til et svart hull, men astronomene har aldri sett spor etter prosessen.
Teoriene om de supertunge svarte hullenes opphav henger derfor tett sammen med hvordan store galakser som Melkeveien har utviklet seg.
For å avklare spørsmålet må astronomene lære mer om de mellomstore svarte hullene, og med den nye oppdagelsen har de fått bedre verktøy til det.
Forskerne vet nå at de må lete i dverggalakser, og de vet hva de skal være på utkikk etter: lysglimt med et forløp som kjennetegner en stjernes fatale møte med et mellomstort svart hull.
I Chile er et nytt teleskop – Vera C. Rubin – snart klart til å inngå i letingen. Teleskopet har et speil på hele 8,4 meter og er dermed bedre egnet til å studere lyset fra de svake dverggalaksene.
Det nye superteleskopet Vera C. Rubin i Chile kan fange opp lysglimtet fra tusenvis av stjerner når de blir slukt av mellomstore svarte hull i fjerne dverggalakser.
Når Rubin-teleskopet er i drift i 2024, kan det overvåke en større del av himmelhvelvet og samtidig se lengre ut i verdensrommet. Astronomene regner med at teleskopet i løpet av ti år kan finne 80 000 lysglimt fra stjerner som slukes av svarte hull.
Hvis en stor del av dem tilhører mellomklassen, vil det hjelpe oss til å forstå både hvordan svarte hull vokser, og hvordan vårt eget hjem i universet, Melkeveien, har blitt til.