Svarta hål med hårliknande materiautkast

 

Bild https://en.nagoya-u.ac.jp.

När två svarta hål kolliderar och smälter samman ringer det nybildade svarta hålet som en klocka av gravitationsvågor med specifika frekvenser som avtar över tid. Detta korta, avtagande vågmönster kallas ringdown och kan dölja vad som finns runt svarta hål.

Enligt Einsteins grundläggande regler för den enklaste typen av svarta hål beror ringdownvågor  på två saker: ett svart håls massa och hur snabbt det snurrar. Men tänk om svarta hål har oupptäckt materia omkring  sig. Om så är skulle denna materia också  påverka egenskaperna hos ringdownvågorna.  Ringdown kan därmed innehålla information om oupptäckt materia runt det svarta hålet. Inom teoretisk fysik kallas denna eventuella extra struktur ofta för “black hole hair.”

Forskare testar ännu om Einsteins allmänna relativitetsteori rätt beskriver svarta hål och vilka avvikelser som kan finnas i teorin.

Att hitta tecken på svarta håls hår är svårt eftersom olika typer av eventuellt oupptäckt materia eller ny fysik kan förändra ringdown på olika vis. Studien (som finns att läsa i länken nedan) ger forskarna en tydligare bild av vilka mönster man ska leta efter i framtida ringdown-data.

"Hårliknande strukturer  på svarta hål kan representera materia runt det svarta hålet eller avvikelser från den enklaste typen av svarta hål som förutsägs av allmän relativitetsteori. Eftersom de så kallade håren kan ändra ringdown-signalen något, kan detektering eller uteslutning av dessa förändringar ge oss ett nytt sätt att testa gravitationen i denna extrema region," beskriver huvudförfattaren Ariadna Uxue Palomino Ylla, doktorand vid Nagoya University’s Graduate School of Science. I beaktande ska även tas att ett svart hål förvränger rumtiden och därför böjer ljusets och gravitationsvågornas bana.

Om det finns dold materia eller ny fysik som påverkar gravitationen skulle effekterna vara mest uttalade precis där gravitationen är som starkast. Detta gör svarta hål till den bästa platsen att söka på efter dold materia eller okänd fysik. För att kontrollera hårteorin förlitade sig teamet på följande. Vilket vis ljus skulle kretsa runt ett svart hål motsvarar hur dess ringdownvågor beter sig, genom detta synsätt kan forskare  räkna ut det ena från det andra. De lade till en liten mängd dold materia till standardmodeller för svarta hål och använde Einsteins ekvationer för att beräkna hur den materian ändrar ringdown frekvens och fade-out-hastighet.

Forskarna testade denna metod på tre välkända teoretiska svarta hål. De utvidgade det också till rotation av svarta hål och studerade ljus som kretsar med rotationen av svarta hål och ljus som kretsar mot det.  Rotation gör beräkningarna mer komplexa eftersom ljus som cirklar vid det svarta hålets spinn skulle bete sig annorlunda än ljus som cirklar mot det. Sådant skulle också ändra ringdowns frekvens och fade-out-hastighet olika, beroende på rotationsriktningen. Det exakta mönstret beror på vilken typ av material som är inblandat. OBS ett svart hål kan rotera runt sin egen axel i nära ljusets hastighet 300000 km/sek

Istället för att studera varje möjlig typ av hårstruktur på svarta hål från grunden, ger den nya metoden forskare ett gemensamt sätt att förutsäga hur denna eventuella materia eller ny fysik kan förändra ett svart håls ringdown. Även om resultaten är tidiga uppskattningar hjälper denna forskningsmetod forskare att veta vad de ska leta efter om de någonsin upptäcker något märkligt i ett verkligt svarta håls signal. I framtiden kan detta tillvägagångssätt hjälpa forskare att använda dessa gravitationsvågor till att lära sig om ett svart håls storlek, rotation och eventuella svarta håls hårstrukturer.

Eventuellt kan det vara mörk materia inblandat. Ingen vet ännu vad detta är. För min del tvivlar jag på existensen av mörk materia. Men de som anser den finns (och det gör majoriteten av forskareliten) kan denna materia vara lösningen på det som de kallar okända materian de söker ovan Jag anser dock att ingen okänd materia är inblandad.

Studien nedan har författats av Ariadna Uxue Palomino Ylla, Kosuke Makino, Akane Tanaka, Akihiro Ishibashi och Chul-Moon Yoo, 2026 under titeln "Ringdown waves from hairy black holes"  i  Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.    

En av de största snurrande strukturer som hittills hittats därute

 

Bilden  https://www.ras.ac.uk  illustrerar rotationen av neutralt väte (höger) i galaxer som befinner sig i ett utsträckt filament (mitten), där galaxerna uppvisar en koherent bulkrotationsrörelse som följer det storskaliga kosmiska nätverket (vänster).Credit Lyla JungLicenstyp Attribution (CC BY 4.0)

En av de största roterande strukturerna som någonsin hittats i universum  liknas vid en tekoppkarusell i nöjesparker har observerats cirka 140 miljoner ljusår från jorden. Den gigantiska snurrande kosmiska tråden hittades av ett internationellt team under ledning av University of Oxford har en "rakbladstunn" rad av galaxer inbäddad i sig.

Kosmiska filament är de största kända strukturerna i universum. De är enorma, trådliknande formationer av galaxer och mörk materia som bildar  kosmiska fundament. De fungerar som motorvägar längs med vilka materia i stor  rörelse flödar in i galaxer.

Närliggande filament som innehåller många galaxer som snurrar i samma riktning och där hela strukturen verkar rotera är idealiska system att utforska om hur galaxer fick den rotation och den gas de har idag. Det kan även ge möjlighet att testa teorier om hur kosmisk rotation byggs upp över tiotals miljoner ljusår.

I den nya studien beskriver forskarna från oss 14 närliggande galaxer rika på vätgas, arrangerade i en tunn, utsträckt linje på cirka 5,5 miljoner ljusår lång och 117 000 ljusår bredd. Denna linjestruktur finns inuti ett mycket större kosmisk filament som är ungefär 50 miljoner ljusår långt och innehåller mer än 280 galaxer.

Anmärkningsvärt nog verkar många av dessa galaxer rotera i samma riktning som filamentet självt.

Detta utmanar nuvarande modeller och antyder att kosmiska strukturer kan påverka galaxers rotation starkt och under längre tid än man tidigare trott.

Forskarna fann även att galaxerna på vardera sidan av filamentets centrum rör sig i motsatta riktningar vilket tyder på att hela strukturen roterar. Med hjälp av datamodellering av filamentets dynamik drog de slutsatser om rotationshastigheten som blev 110 km/s och uppskattade radien av filamentets täta centrala region till cirka cirka 163 000 ljusår.

Medförfattaren Dr Lyla Jung vid University of Oxford beskriver: "Det som gör denna struktur exceptionell är inte bara dess storlek utan också kombinationen av spinnjustering och rotationsrörelse.

Filamentet verkar vara en ung relativt orörd struktur. Dess stora antal gasrika galaxer och låga inre rörelse visar på ett så kallat "dynamiskt kallt" tillstånd och tyder på att det fortfarande befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium.

Eftersom väte är råmaterialet för stjärnbildning samlar eller behåller galaxer som innehåller mycket vätgas aktivt bränsle till att bilda stjärnor. Studier av dessa galaxer kan därför ge en inblick i tidiga eller pågående stadier i detta.

Det internationella teamet använde för studien data från Sydafrikas MeerKAT-radioteleskop, ett av världens mest kraftfulla teleskop, bestående av en uppsättning av 64 sammanlänkade parabolantenner.

Detta snurrande filament upptäcktes genom en djupgående undersökning av himlen kallad MIGHTEE vid MeerKAT teleskopet under ledning av astrofysikprofessorn Matt Jarvis vid University of Oxford. Arbetet kombinerades med optiska observationer från Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) och Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Studien involverade även forskare från University of Cambridge, University of the Western Cape, Rhodes University, South African Radio Astronomy Observatory, University of Hertfordshire, University of Bristol, University of Edinburgh och University of Cape Town.

Studien publicerades nyligen i Monthly Notices ofthe Royal Astronomical Society  och  här beskrivs  värdefulla nya insikter om hur galaxer bildades i det tidiga universum.

Astronomer har upptäckt en av de största roterande strukturerna i universum hittills.

 

Bild https://www.ox.ac.u Bilden illustrerar rotationen av neutralt väte (höger) i galaxer som befinner sig i ett utsträckt filament (mitten), där galaxerna uppvisar en koherent bulkrotationsrörelse som följer det storskaliga kosmiska nätverket (vänster). Källa: Lyla Jung

Ett internationellt team under ledning från University of Oxford har identifierat en av de största roterande strukturerna som någonsin rapporterats i form av en 'rakbladstunn' rad av galaxer inbäddade i en gigantisk snurrande kosmisk tråd, 140 miljoner ljusår bort.

Kosmiska filament är de största kända strukturerna i universum. Det är enorma trådliknande formationer av galaxer och mörk materia som bildar ett kosmiskt mönster. De fungerar även som motorvägar längs vilka materia och rörelse flödar in i galaxer.

 Närliggande filament innehåller många galaxer som snurrar i samma riktning hela strukturer verkar rotera. Något som är idealiska system till att utforska hur galaxer fick det spinn och den gas de har idag. De kan också ge ett sätt att testa teorier om hur kosmisk rotation byggs upp över tiotals miljoner ljusår. I den nya studien fann forskarna 14 närliggande galaxer rika på vätgas, arrangerade i en tunn, utsträckt linje av en längd på cirka 5,5 miljoner ljusår och en bredd av117 000 ljusår. Denna struktur finns inuti en mycket större kosmisk tråd som innehåller över 280 galaxer och som är ungefär 50 miljoner ljusår lång.

 Anmärkningsvärt nog verkar många av dessa galaxer snurra i samma riktning som filamentet självt. Detta utmanar nuvarande modeller och antyder att kosmiska strukturer kan påverka galaxernas rotation starkare och under längre tid än man tidigare trott.

Forskarna fann att galaxerna på vardera sidan av filamentets centrum rör sig i motsatta riktningar vilket tyder på att hela strukturen roterar. Med hjälp av datamodeller av filamentets dynamik drog de slutsatsen  att rotationshastigheten var 110 km/s och uppskattade radien för filamentets centrala region till cirka 163 000 ljusår.

Det internationella forskarteamet använde insamlad data från Sydafrikas MeerKAT-radioteleskop, ett av världens mest kraftfulla radioteleskop, bestående av en uppsättning av 64 sammanlänkade parabolantenner. Det snurrande filamentet upptäcktes genom en djup undersökning av himlen kallad MIGHTEE /  under ledning av astrofysikprofessorn Matt Jarvis (Fysikinstitutionen, University of Oxford). Datan kombinerades med optiska observationer från Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)   och Sloan Digital Sky Survey (SDSS) till att avslöja en kosmisk filament som uppvisar både koherent galaxspinnjustering och bulkrotation.

Resultaten, av  studien har publicerats i Monthly Notices of the Royal AstronomicalSociety. 

19 närliggande galaxers struktur fotograferade av Webbteleskopet

 

Dessa Webb-bilder ingår i en del av ett stort långvarigt projekt, projektet Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS (PHANGS). Ett projekt som stöds av mer än 150 astronomer över hela världen. Innan Webbteleskopet tog dessa bilder var PHANGS redan full av data från NASA:s rymdteleskop Hubble, Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope's Multi-Unit Spectroscopic Explorer och Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, inklusive observationer i ultraviolett, synligt och radiovågor. Webbs bidrag i kort- och mellaninfrarött ljus har gett än mer.

"Webbs nya bilder är extraordinära", beskriver Janice Lee, projektforskare för strategiska initiativ vid Space Telescope Science Institute i Baltimore.

 – De är häpnadsväckande även för forskare som har studerat samma galaxer i årtionden. Bubblor och filament är upplösta ner till den minsta skalan som någonsin observerats och visar mer av stjärnbildningscykeln.

Spänningen spred sig snabbt i hela teamet när Webb-bilderna strömmade in. "Det känns som om vårt team lever i ett konstant tillstånd av att bli överväldigade – på ett positivt sätt – av mängden detaljer i dessa bilder", tillade Thomas Williams, postdoktoral forskare vid University of Oxford i Storbritannien. 

Se mer och läs mer om dessa bilder ovan här från https://webbtelescope.org