For milliarder av år siden smeltet to sorte hull mye mer massivt sammen enn solen - 31 og 19 solmasser hver - sammen i en fjern galakse. 4. januar 2017 nådde disse gravitasjonsbølgene, som reiste gjennom universet med lysets hastighet, endelig jorden, hvor de klemte og strakte planeten vår i flere atomer. Dette var nok til at to LIGO-detektorer i Washington og Louisiana kunne hente signalet og rekonstruere nøyaktig hva som skjedde. For tredje gang i historien har vi direkte observert gravitasjonsbølger. I mellomtiden lette teleskoper og observatorier rundt om i verden, inkludert de i jordens bane, etter et helt annet signal: noe som lys eller elektromagnetisk stråling som disse sammenslåtte svarte hullene kunne avgi.
En illustrasjon av to sammensmeltede sorte hull med sammenlignbar masse til de som er sett i LIGO. Det forventes at en slik sammensmelting skal produsere svært lite elektromagnetiske signaler, men tilstedeværelsen av et sterkt oppvarmet stoff i nærheten av slike gjenstander kan endre dette.
I følge våre beste fysikkmodeller bør sammenslåing av sorte hull ikke avgi noe lys i det hele tatt. En massiv singularitet omgitt av en begivenhetshorisont kan avgi gravitasjonsbølger på grunn av skiftende krumning av romtid, da den kretser rundt en annen gigantisk masse, og generell relativitet antyder dette. Siden gravitasjonsenergi i form av stråling må komme fra et sted, vil det siste sorte hullet etter sammenslåingen være flere solmasser lettere enn summen av kildene som genererte den. Dette er helt i tråd med to andre fusjoner som LIGO observerte: omtrent 5% av de opprinnelige massene ble omdannet til ren energi i form av gravitasjonsstråling.
Massene av kjente binære sorte hullsystemer, inkludert tre bekreftede LIGO-fusjoner og en fusjonskandidat
Men hvis det er noe utenfor disse sorte hullene, for eksempel en akkretjonsdisk, brannmur, hardt skall, diffus sky eller noe annet, kan akselerasjonen og oppvarmingen av dette materialet skape elektromagnetisk stråling som beveger seg sammen med gravitasjonsbølgene. Etter den første LIGO-deteksjonen, uttalte Fermi gammastråle-burstmonitor at den hadde oppdaget et utbrudd av høy energi som falt sammen med tiden for gravitasjonsbølgesignalet. Dessverre klarte ikke ESA-satellitten å bekrefte Fermis resultater, men forskerne som jobbet der, oppdaget en feil i Fermis analyse av dataene sine, og fullstendig miskrediterte resultatene.
Sammenslåing av to sorte hull gjennom øynene til en kunstner, med en akkretjonsskive. Tettheten og energien til materie bør ikke være nok her for å skape gammastråler eller røntgenstråler, men hvem vet hva naturen er i stand til.
Den andre fusjonen viste ikke slike antydninger til elektromagnetiske signaler, men dette er ikke overraskende: sorte hull hadde betydelig lettere masse, så ethvert signal de genererte ville være tilsvarende lavere i størrelse. Men den tredje fusjonen var også stor, mer sammenlignbar med den første enn den andre. Selv om Fermi sa ingenting, og ESAs integrale satellitt også forble stille, var det to hint om at elektromagnetisk stråling kan ha skjedd. Den italienske romfartsorganisasjonens AGILE-satellitt registrerte en svak, kortvarig bluss som skjedde et halvt sekund før fusjonen ved LIGO, og røntgen-, radio- og optiske observasjoner sammen ble identifisert merkelig.
Hvis noe av dette kunne tilskrives sammenslåing av sorte hull, ville det være helt utrolig. Vi vet så lite om sorte hull generelt, hva kan vi si om å slå sammen. Vi har aldri sett dem med egne øyne, selv om Event Horizon Telescope liksom tar et bilde før slutten av dette året. Vi fant ut akkurat i år at sorte hull ikke har harde skall rundt hendelseshorisonten, men dette faktum var også statistisk. Så når det gjelder muligheten for at sorte hull kan ha elektromagnetiske lekkasjer, er det verdt å ha et åpent sinn.
Kampanjevideo:
Fjernt, massive kvasarer viser supermassive sorte hull i kjernene, og deres elektromagnetiske lekkasjer er enkle å oppdage. Men vi har ennå ikke sett sammensmeltende sorte hull (spesielt de med lave masser, mindre enn 100 soler) avgir noe som kan oppdages.
Dessverre gir ingen av disse observasjonene de nødvendige dataene for å få oss til å konkludere med at sammensmelting av sorte hull kan avgi noe i det elektromagnetiske spekteret. Generelt er det ganske vanskelig å skaffe overbevisende bevis, siden selv de to LIGO-detektorene, som fungerer med utrolig nøyaktighet, ikke kan finne plasseringen av gravitasjonsbølgesignalet med mer nøyaktighet enn opptil en konstellasjon eller tre. Siden gravitasjonsbølger og elektromagnetiske bølger beveger seg med lysets hastighet, er det ekstremt usannsynlig at det vil være en nesten 24-timers forsinkelse mellom de to. I tillegg skjer den forbigående hendelsen i en avstand som ikke tillater at den assosieres med en gravitasjonsbølge.
Observasjonsområdet til AGILE-observatoriet på tidspunktet for LIGO-observasjoner med mulig plassering av gravitasjonsbølgekilden vist i lilla konturer
AGILEs observasjoner kan potensielt antyde at noe interessant skjer. I det øyeblikket gravitasjonsbølgehendelsen ble oppdaget, ble AGILE rettet mot et område av rommet som inneholder 36% av LIGO-studieområdet. Ifølge forskere dukket "overskuddet av oppdagede røntgenfotoner" opp et sted over den vanlige gjennomsnittsbakgrunnen. Men når vi ser på dataene, er det første spørsmålet forskere stiller: Hvor overbevisende er de?
Sekunder før LIGO-sammenslåingen trakk de ut en interessant begivenhet, merket E2 i de tre diagrammene ovenfor. Etter en grundig analyse der de korrelerte hva de ser og hva slags tilfeldige svingninger som kan forekomme naturlig, konkluderte de med at noe interessant hadde skjedd med en sannsynlighet på 99,9%. Med andre ord så de et reelt signal, ikke en tilfeldig svingning. Det er mange objekter i universet som avgir gamma og røntgen som utgjør bakgrunnen. Men kan hendelsen knyttes til gravitasjonssammenslåingen av to sorte hull?
Datasimuleringer av to sammensmeltende sorte hull med produksjonen av gravitasjonsbølger. Spørsmålet er, følger dette signalet med noen elektromagnetiske utbrudd?
I så fall, hvorfor så ikke de andre satellittene det? For øyeblikket kan vi konkludere med at hvis sorte hull hadde en elektromagnetisk del, så:
- ekstremt svakt
- er bare født med lav energi
- har ingen lyse optiske, radio- eller gammastrålekomponenter
- forekommer ikke samtidig med frigjøring av gravitasjonsbølger.
Binære sorte hull på 30 solmasser, først registrert av LIGO, er vanskelige å danne uten direkte kollaps. Nå, når de allerede har blitt observert to ganger, ble det klart at slike par sorte hull er ganske vanlige. Har de elektromagnetisk stråling?
I tillegg passer alt vi ser perfekt med at sammensmelting av sorte hull ikke har en elektromagnetisk del. Men kan dette være fordi vi ikke har nok data? Hvis vi bygger flere gravitasjonsbølgedetektorer, ser flere sammenslåinger av sorte hull med høy masse, bedre finner dem, ser mer forbigående hendelser - vi kan finne ut svaret på det spørsmålet. Hvis oppdrag og observatorier som skal samle inn slike data blir bygget, bestilt og satt i bane, om nødvendig, vil vi om 15 år motta vitenskapelig bekreftelse.
ILYA KHEL
