Att förstå åt vilket håll ett svart hål snurrar är viktigt för att förstå hur universum uppkom.

 

Ett svart håls ursprung kan tolkas in i hur det snurrar. Detta gäller i första hand vid undersökning av binärer då två svarta hål cirklar nära varandra tills de slås samman. Spinn och lutning av respektive svarta hål strax innan de sammanslår kan avslöja om de uppstod i en galaktisk skiva eller en dynamisk stjärnhop.

Astronomer hoppas genom detta reda ut vilken av dessa möjligheter som är mest sannolik. Arbetet utgår genom att analysera de  i dag  69 bekräftade binärer som upptäckts hittills.

I en ny studie som i dagarna publicerats i tidskriften Astronomy and Astrophysics Letters beskriver MIT-fysiker hur alla kända binärer och deras spinn bearbetats till modeller av hur bildandet av svarta hål sker. Slutsatserna ser väldigt olika ut beroende på vilken modell som använts i tolkning av data.

Ett svart håls ursprung kan tolkas på olika vis beroende på en modells antaganden om hur universum fungerar.

"Då man ändrar modellen och gör den mer flexibel eller gör olika antaganden blir svaret olika på hur svarta hål bildas i universum", säger studiens medförfattare Sylvia Biscoveanu, MIT-doktorand som arbetar i LIGO-laboratoriet. I övrigt inkluderade studien Colm Talbot, en mit-postdoc; och Salvatore Vitale, docent i fysik och medlem av Kavli Institute of Astrophysics and Space Research vid MIT uttrycker det.

Svarta hål i binära system antas uppstå via en av två vägar. Den första är genom fältbinär evolution", där två stjärnor utvecklas tillsammans och så småningom exploderar i supernovor och lämnar efter sig två svarta hål som fortsätter att cirkla i ett binärt system. I det här scenariot bör de svarta hålen ha relativt likartade snurr då de haft tid - först som stjärnor, sedan som svarta hål - att dra i varandra i liknande riktningar. Om en binärs svarta hål har ungefär samma spinn, tror forskare att de måste ha utvecklats i en relativt lugn miljö till exempel en galaktisk skiva (skivgalax).

Svarta hål binärer kan också bildas genom "dynamisk montering", där två svarta hål utvecklas separat vart och ett med sin egen distinkta lutning och snurr. Genom vissa extrema astrofysiska processer förs över tid sedan de svarta hålen så småningom tillräckligt nära varandra för att bilda ett binärt system. Ett sådant dynamiskt skeende skulle sannolikt inte ske i en lugn galaktisk skiva, utan i en mer stjärntät miljö, såsom en klotformig stjärnhop, där interaktionen mellan tusentals stjärnor kan slå ihop två svarta hål (genom ex gravitationen (min anm)). Om en binärs svarta hål har slumpmässigt orienterade snurr, bildades de sannolikast i ett klotformigt kluster.

Hittills har astronomer härlett snurr av svarta hål i 69 binärer, som har upptäckts genom ett nätverk av gravitationsvågdetektorer där LIGO i USA och dess italienska motsvarighet Virgo ingick. Varje detektor lyssnar efter tecken på gravitationsvågor. Detta innebär mycket subtila efterklanger genom rumtiden gravitationsvågrester från extrema, astrofysiska händelser som sammanslagning av massiva svarta hål. 

Med varje binärs upptäckt har astronomer uppskattat respektive svarta håls egenskaper, inklusive massa och spinn. De har arbetat in spinnmätningarna i en allmänt accepterad modell av bildandet av svarta hål och hittat tecken på att binärer kan ha två skilda spinn, justerat spinn och slumpmässiga spinn. Det vill säga universum kan producera binärer i både galaktiska skivor och stjärnkluster.

"Men vi ville veta om vi har tillräckligt med data för att förstå denna skillnad?" säger Biscoveanu. "Och det visade sig att saker är rörliga och osäkra och det därmed är svårare att förstå än det först ser ut."

Teamet reproducerade först LIGO:s spinnmätningar i en allmänt använd modell av bildandet av svarta hål. I denna modell antas att en bråkdel av binärerna i universum producerar svarta hål med inriktade snurr medan resten av binärerna har slumpmässiga snurr. De fann att data verkade stämma överens med denna modells antaganden och visade en topp där modellen förutspådde att det skulle finnas fler svarta hål med slumpmässig snurr.

Hur mycket mer data kommer astronomer att behöva? Vitale uppskattar att när LIGO-nätverket startar upp igen i början av 2023 kommer instrumenten att upptäcka en ny svart hålbinär om inte dagligen så kanske så ofta som med några dagars mellanrum. Under nästa år kan det därför läggas till hundratals fler mätningar till datan.

– Mätningarna av de spinn vi har nu är väldigt osäkra, säger Vitale. – Men när vi bygger upp många fler av dem kan vi få bättre information och då kan säkrare slutsatser dras.

Forskningen ovan stöddes delvis av National Science Foundation.

Bild vikipedia av En visuell tolkning av ett svart hål eller neutronstjärna med en närliggande stjärna utanför dess Roche-gräns. Infallande materia bildar en ackretionsskivan samtidigt som annan materia med mycket hög energi slungas ut som strålar