Bild https://www.simonsfoundation.org Infografik som visar stegen då en massiv
stjärna kollapsar in i ett svart hål. Lucy Reading-Ikkanda/Simons stiftelse
År 2023 upptäckte astronomer en enorm kollision. Två
massiva svarta hål kraschade ca 7 miljarder
ljusår bort från oss. De svarta hålens enorma massor och extrema spinn förbryllade
astronomerna. Svarta hål som dessa var inte tänkta att existera.
Nu har astronomer vid Flatiron Institute's Center
for Computational Astrophysics (CCA) och deras kollegor listat ut hur dessa
svarta hål kan ha bildats och kolliderat. Astronomernas omfattande simuleringar som följde systemet från stjärnornas existens till deras slutliga slut avslöjade den saknade pusselbiten som tidigare studier hade förbisett, magnetfält.
– Ingen har tänkt på de här systemen på det sätt som
vi gjorde. Tidigare tog astronomer bara en genväg och försummade magnetfälten,
beskriver Ore Gottlieb, astrofysiker vid CCA och huvudförfattare till studien om arbetet som publicerats i The Astrophysical Journal Letters. Men när
man väl tar hänsyn till magnetfält kan man förklara ursprunget till
denna unika händelse.
Kollisionen som upptäcktes 2023, känd som
GW231123, observerades av LIGO-Virgo-KAGRA-samarbetet med hjälp av dessa detektorer
som mäter gravitationsvågor, krusningarna i rumtiden som orsakas av massiva
föremåls rörelser.
På den tiden kunde astronomer inte förstå hur så
stora snabbt snurrande svarta hål kunde uppstå. När massiva stjärnor når slutet
av sin tid kollapsar många av dem och exploderar som en supernova och lämnar
efter sig ett svart hål. Men om stjärnan faller inom ett visst massintervall uppstår
en speciell typ av supernova. Denna explosion, som kallas en parinstabil
supernova, är så våldsam att stjärnan förintas och inte lämnar något efter sig.
– Som ett resultat av dessa supernovor förväntar vi oss inte att svarta hål ska bildas med en massa som är mellan 70 och 140 gånger solens, beskriver Gottlieb. Så det var förbryllande att se svarta hål med stor massa inuti det här gapet, beskriver han.
Svarta hål i detta massgap kan bildas indirekt, när
två svarta hål smälter samman och bildar ett större svart hål, men i fallet med
GW231123 trodde forskarna att detta var osannolikt. Sammansmältningen av svarta
hål är en oerhört kaotisk händelse som ofta stör spinnet hos det först aktiva svarta hålet. De svarta hålen i GW231123 var de snabbast snurrande hålen som
LIGO observatoriet upptäckt och händelsen drog med sig rumtiden med nästan ljusets hastighet. Två
svarta hål av deras storlek och spinn är otroligt osannolika, så astronomerna
trodde att något annat måste vara i görningen.
Gottlieb och hans medarbetare undersökte detta genom att genomföra två steg av beräkningssimuleringar. De simulerade först en jättestjärna med en massa som är 250 gånger solens genom huvudstadiet av dess existens från det att den börjar förbrännas väte till den tar slut och kollapsar i en supernova. När en så massiv stjärna hade nått supernovastadiet hade den bränt upp tillräckligt med bränsle för att minska till bara 150 gånger vår sols massa, vilket gjorde dess storlek precis över massgapet och stor nog för att lämna ett svart hål efter sig. Efter att en icke-roterande stjärna kollapsar och bildar ett svart hål, faller molnet av överblivet lös materia snabbt in i det svarta hålet. Men om den ursprungliga stjärnan snurrade snabbt, bildar detta moln en snurrande skiva som får det svarta hålet att snurra snabbare och snabbare när material faller ner i dess avgrund. Om det finns ett magnetfält utövar detta tryck på skräpskivan. Detta tryck är tillräckligt starkt för att kasta ut en del av materialet från det svarta hålet med nästan ljusets hastighet.
Dessa utflöden minskar i slutändan huvuddelen av materialet i den omgivande skivan som så småningom matas in i det svarta hålet. Ju starkare magnetfältet är desto större blir denna effekt. I extrema fall med mycket starkt magnetfält kan upp till hälften av stjärnans ursprungliga massa kastas ut genom det svarta hålets skiva.
I fallet med simuleringarna skapade magnetfälten till slut ett sista svart hål i massgapet. Resultatet tyder enligt Gottlieb på ett samband mellan massan av ett svart hål och hur snabbt detta snurrar. Starka magnetfält kan bromsa ett svart håls snurrande och föra med sig en del av stjärnans massa, vilket skapar lättare och långsammare snurrande svarta hål. Svagare fält tillåter tyngre och snabbare snurrande svarta hål. Detta tyder på att svarta hål kan följa ett mönster som binder samman deras massa och snurrar samman. Även om astronomer inte känner till några andra system av svarta hål där detta samband kan testas genom observationer, hoppas de att framtida observationer kan hitta fler sådana system som kan bekräfta detta samband
