Mörk materia samlas vid svarta hål

 

Bild  https://news.vt.edu  En konstnärs avbildning av miljön nära ett supermassivt svart hål där endast synlig materia ses. I en ny studie antyds att det svarta hålet också kan vara omgivet av en sfärisk gloria av osynlig mörk materia. Illustration med tillstånd av Adobe Stock.

Vi närmar oss en punkt där observationsbevisen för mörk materia helt enkelt är obestridliga," beskriver Mayank Sharma, fysikstudent vid Virginia Tech.

Varje ny upptäckt lär oss mer om den mörka materian som vida överstiger all synlig materia i universum. Den enda kända kraft som påverkar detta är gravitation och  mörk materia samlas som ett allt tjockare moln av som kan ses som svart rök (dock osynligt för oss) runt supermassiva svarta hål.

Med hjälp av en astrofysisk teknik kallad ekokartläggning lade forskarna fram bevis som stödjer denna teori som länge hållits som riktig  men inte kunnat bevisas i  partikelfysiken. Gravitationen drar i allt och i universum rusar stjärnor och galaxer  i rasande fart mycket, mycket snabbare än de borde, och denna expansionsgastighet av universum ökar och ökar.

Expansionen av universum kommer kommer ur gravitationen av osynlig mörk materia (men säkert även av mörk energi enligt mig).

Den extra hastigheten pekar på mörk materians inflytande över de enorma avstånden över universum. Men vad händer vid randen till ett svart hål? Svarta hål är områden i rymden där gravitationen är så stark att den drar och vrider själva rumtidens väv.

Forskare kan se vanlig materia falla mot ett svart hål. Damm, gas och plasma slår runt i en bullrig ackretionsskiva orsakar friktion, förlorar rörelsemängd och dras i spiralform inåt i det svarta hålet.

Men mörk materia skakar inte om. Den kan inte interagera  med sig själv eller med synlig materia. Allt den påverkas av är gravitation. Utan någon mekanism för att avge energi förutspår teorin att mörk materia helt enkelt svävar tätt i utkanten av ett svart hål  men detta beteende inte kan observeras med vanliga teleskop.

När han diskuterade problemet med Gonzalo Herrera, en tidigare postdoktoral forskare i partikelfysik vid Virginia Tech, såg Sharma en möjlig väg framåt.

"Vi skulle faktiskt kunna testa denna förutsägelse med hjälp av en teknik inom astronomi, som kan mäta avståndet till den omgivande gasen genom att leta efter ljusekon." Ljuseko, är känt som efterklangskartläggning och är en väletablerad teknik för att mäta massan av svarta hål.

När material faller mot ett svart hål frigörs en energiexplosion som får ackretionsskivan att pulsera. Ljuspulsen färdas utåt tills den träffar omgivande gas som absorberar och återutsänder ljuset i en sekundär puls likt ett  eko.

Astronomer upptäcker den initiala blixten och efter en fördröjning, dess eko.

Eftersom ljuset färdas med konstant hastighet avslöjar fördröjningen gasens avstånd från det svarta hålet. Den initiala signalen innehåller också fingeravtryck från det svarta hålet, där intensiv värme och strålning tar bort gasen från elektroner. Denna effekt är mindre uttalad i ekosignalen som är längre bort från det svarta hålet.

Genom att jämföra signalerna kan forskare använda det matematiska sambandet mellan avstånd, ljushastighet och massa för att beräkna hur mycket mörk materia som omger det svarta hålet.

Genom att tillämpa denna metod på 14 avlägsna galaxer fann teamet fem fall där massan ökade med avståndet som var snabbare än vad synlig materia ensam kunde ge som  förklaring.

"Dessa galaxer visar definitivt en antydan om att det finns extra material som inte kan förklaras av bara det supermassiva svarta hålet," beskriver Sharma.

Databegränsningar innebär att resultaten är ett konceptbevis, inte en definitiv upptäckt, men studien visar en tydlig väg till bekräftelse. Om närvaron av mörk materia bekräftas i framtida studier måste astronomer ta hänsyn till dess effekter i sina studier av supermassiva svarta hål ochmiljön där. Å andra sidan, om teorin utesluts, måste partikelfysiker gå tillbaka till ritbordet för att förstå vad mörk materia  är.

Den studien är  publicerad i Physical Review Journals. 

Signaler har upptäckts som troligen kommer från svarta hål bildade av eller under BigBang

 

Bild https://news.miami.edu  En flygbild av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i Livingston, Louisiana varifrån det 2025 upptäcktes en ovanlig gravitationssignal från universums början. Bild: Med tillstånd av LIGO

Det kan ta år att bevisa, men några astrofysiker vid University of Miami kan stå på tröskeln till ett vetenskapligt genombrott av att bekräfta existensen av uråldriga svarta hål och deras roll i ett av kosmologins största och olösta mysterier tiden vid BigBang.

 En teori beskriver att de första svarta hålen bildades inom den första bråkdelen av en sekund efter Big Bang. Men om de kan bekräftas kan dessa första svarta hål ha varierat i storlek från en asteroids storlek till betydligt större hål och  detta kan   även förklara den mörka materians natur. Då den osynliga materia som utgör cirka 25 procent av all materia i universum och fungerar som gravitationen som håller galaxers stjärnor samman i en galax och bör ha bildats även den vid BigBang. 

Teorin  att den mörka materien bildades spontant ur denna enorma mängd energi, precis som den vanliga (synliga) materien gjorde då.

"Vi tror att vår studie kommer att hjälpa till att bekräfta att de svarta hålen faktiskt existerar så tidigt," beskriver Nico Cappelluti, docent vid College of Arts and Sciences fysikinstitution, om den forskning han och doktoranden Alberto Magaraggia har genomfört (om de första svarta hålens existens).

Forskningen bygger direkt på den senaste potentiella upptäckten av ett subsolart svart hål (ett svart hål i som ses i  riktning mot jorden ) upptäckt av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) vilket i slutet av 2025 upptäckte en ovanlig signal från en gravitationsvåg i form av en osynlig krusning i rumtidens väv orsakad av våldsamma processer likt en kollisionen mellan två svarta hål.

De vanligaste svarta hålen bildas genom att en supernova sker när en massiv stor stjärna exploderar i slutet av sin existens och resten blir ett svart hål. Svarta håls massor kan variera från några gånger större än vår sols massa till miljarder solmassor,"beskriver Cappelluti. I november 2025 utfärdade LIGO en automatisk varning för en sammansmältning där minst ett av objekten vägde mindre än 1 solmassa vilket antyder ytoligehten av att det var ett uråldrigt svart hål.

Man frågade sig då om det var ett kosmiskt genombrott eller kanske ett falskt alarm och enbart ett brus i LIGO:s massiva detektorer vilket en del astrofysiker tror än i dag.

Cappelluti och Magaraggia är däremot övertygade om att det LIGO upptäckte signaturen från ett uråldrigt svart hål i det tidiga universums högdensitetsmiljö långt innan stjärnor bildades. De hoppas att deras fortsatta forskning ska bevisa detta.

"Vi försökte uppskatta hur många uråldriga svarta hål som kan finnas i universum och hur många av dem LIGO kommer att upptäcka," beskriver Magaraggia. "Våra resultat är uppmuntrande. Vi förutspår att subsolare svarta hål som det LIGO kan ha observerat borde vara sällsynta vilket stämmer överens med hur sällan sådana händelser hittills har setts."

Det var de banbrytande sovjetiska vetenskapsmännen Yakov Zeldovich och Igor Novikov, som arbetade under kalla krigets begränsningar som var de första att föreslå existensen av uråldriga svarta hål. I början av 1970-talet utvecklade den välkände teoretiske fysikern Stephen Hawking deras arbete och föreslog att dessa mystiska objekt borde finnas i stort antal och strålar ut energi som kan förklara mysteriet med mörk materias bildning.

När LIGO blev operativt och i  drift hjälpte det till att ge de tidigaste bevisen för deras ovan personers teorier. Instrumentet upptäckte första gravitationsvågen den 14 september 2015 vilket inledde en ny era inom astronomin och gav  bevis för Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.

Det enorma observatoriet LIRGO består  av anläggningar i Hanford, Washington, och Livingston, Louisiana. LIRGO arbetar i samordning med Virgo-gravitationsvågsdetektorn i Italien och det underjordiska KAGRA-observatoriet i Japan och bildar ett nätverk känt som LVK och letar efter svarta hål  områden i rymden så kompakta att dessa håls gravitation hindrar allt inklusive ljus från att undkomma.

Framtida uppgraderingar av LIGO kommer att göra observatoriet än mer känsligt. Instrumentet, som består av två L-formade detektorer med 4 km långa vakuumarmar kommer fortfarande inte att kunna se konkreta gravitationsvågor från Big Bang. Den är egentligen utformad för att upptäcka högfrekventa vågor från relativt nyligen inträffade våldsamma stjärnhändelser (som gravitationsvågor från supernovor).

Gravitationsvågsdetektorer i framtiden kommer däremot att kunna se mycket djupare in i kosmos, beskriver Cappelluti. Europeiska rymdorganisationens Laser Interferometer Space Antenna ( LISA) vilket skjuts upp i rymden 2035 anses kunna upptäcka gravitationsvågor från de tidigaste epokerna efter Big Bang.

Studien av signalerna kommer att publiceras i ett kommande nummer av Astrophysical Journal men kan läsas redan  här.

För min del tror jag att de svarta hål kom till samtidigt som BigBang skedde. Kanske de är rester av ett tidigare universum som över tid blev så packat av materia att det blev till en så sluten och liten area att det exploderade och bildade vårt universum i det vi kallar BigBang.

Svarta hål, Higgsmassa och en sjudimensionell geometri

 

Bild https://websrv.saske.sk/uef/en  Förening av svarta håls stabilitet och elementarpartikelmassa via 7D-geometri  Schematisk illustration av ramverket som presenteras i den 7-dimensionella Einstein-Cartan-teorin på en G2-mångfald med torsion (syftar på deformationen av ett material när det utsätts för vridmoment eller rotationskrafter). Vänstra panelen (bilden) visar 7D G2-manifold torsionsknuten. Geometrisk torsion genererar en repulsiv kraft vid Plancktätheter (centralt infälld), vilket stabiliserar en svart hål-rest. Genom dimensionsreduktion identifieras torsionsvakuumförväntansvärdet med den elektrosvaga skalan (≈246 GeV) vilket naturligt ger Higgsfältvakuumförväntningsvärdet (VEV) och möjliggör för elementarpartiklar att förvärva massa i 4D-rumtiden. 

Ett av de största mysterierna inom modern fysik, "informationsparadoxen om svarta hål", kan äntligen ha funnit en elegant lösning, och svaret kan också avslöja ursprunget till massan hos fundamentala partiklar. 

På 1970-talet visade Stephen Hawking, genom semiklassiska beräkningar, att svarta hål inte är riktigt svarta utan avger en svag strålning som får dem att gradvis krympa tills de försvinner. Denna process medför dock ett enormt problem: den verkar orsaka en irreversibel informationsförlust, vilket bryter mot kvantmekanikens unitaritetsprincip (den  totala sannolikheten för alla möjliga händelser eller utfall alltid är exakt ett (1) eller 100% över tid). Med andra ord säger kvantfysikens lagar att information inte kan förstöras, men avdunstningen av ett svart hål antyder något annat.

Nu föreslår en ny studie publicerad i tidskriften General Relativity and Gravitation under ledning av Richard Pinčáks team i Institute of Experimental Physics SAS Slovak Academy of Sciences i Slovakien en innovativ lösning baserad på den komplexa geometrin i ett rum med extra dimensioner.

I en artikel publicerad i General Relativity and Gravitation utforskade forskarna de fenomenologiska konsekvenserna (Fenomenologi är läran om hur vi upplever världen. Som filosofisk metod strävar den efter att beskriva fenomen ("det som visar sig") exakt så som de uppfattas av vårt medvetande, utan att vi låser in dem i teoretiska förutfattade meningar.)av en gravitationsteori, känd som Einstein-Cartan-teorin, formulerad i 7 dimensioner på en specifik matematisk struktur kallad G2-mångfald med torsion". Till skillnad från standard allmän relativitet tillåter denna teori rumtiden inte bara att böja sig utan också att "vrida" (den så kallade rumtidstorsionen).

Resultatet av denna modell är fascinerande: vid extrema tätheter, typiska för Planckskalan (Planckskalan är fysikens minsta teoretiska gräns där konventionella lagar för gravitation och kvantmekanik smälter samman). Den definieras av fundamentala konstanter som ljusets hastighet och Plancks konstant. Skalan representerar den punkt där rumtiden upphör att vara slät och istället beskrivs som ett kaotiskt "kvantskum".) och genererar denna geometriska torsion en repulsiv kraft. Denna kraft motverkar gravitationskollaps och stoppar dynamiskt det sista stadiet av Hawkingavdunstningen. Som ett resultat försvinner inte det svarta hålet i intet, utan lämnar efter sig en stabil "rest" vars förväntade massa är ungefär 9*10-41 kg.

Om det svarta hålet inte försvinner, vad händer då med informationen om all materia som föll in i det? Forskarna föreslår att denna stabila rest fungerar som ett verkligt minnesarkiv. Resten av strukturen ger en konkret mekanism för att lagra information genom spektrumet av dess "kvasi-normala modul" (karakteristiska egenskapssvängningarna hos öppna eller dissipativa fysikaliska system.).

I praktiken kodas och fångas kvantinformation inom de långlivade "vibrationerna" i torsionsfältet i restens geometri. Teamet beräknade att en rest som härstammar från ett svart hål med solens massa skulle kunna lagra den otroliga mängden cirka 1,515*1077 Qubits av information, precis tillräckligt för att lösa paradoxen.

Det som gör denna studie särskilt intressant är dess djupa koppling till partikelfysik. Forskarna visade att dimensionsreduktionen (från 7 till 4 dimensioner, vår uppfattbara rumtid) av denna geometri utgör en naturlig källa för den elektrosvaga skalan ~246$ GeV). Denna skala är känd för att vara associerad med Higgsfältet, som ger massa till elementarpartiklar.

I denna teoretiska ram identifieras vakuumförväntansvärdet (VEV) som antags av torsionsfältet dynamiskt med den elektrosvaga skalan (cirka 246 GeV). I huvudsak erbjuder samma geometriska egenskap som räddar svarta hål från att försvinna och bevarar kvantinformation också en rent geometrisk förklaring till masshierarkiproblemet inom partikelfysiken. Varför har vi inte bevis på dessa extra dimensioner än? Svaret ligger i de häpnadsväckande energiskorna som är involverade. Forskarna beräknade att partiklarna kopplade till dessa dimensioner (Kaluza-Klein-excitationer) har massor runt 8,6*1015 GeV. Detta är sju storleksordningar utanför räckvidden för Large Hadron Collider (LHC), men "osynlig" för kolliderare betyder inte "otestbar"

Teorin är långt ifrån ren spekulation eftersom den bygger på stela geometriska relationer. Om modellen är korrekt gör den specifika, falsifierbara förutsägelser som kan jagas i universums djup snarare än i ett laboratorium. Först, de stabila resterna av svarta hål (9*10-41 kg) som förutspåddes av studien kan vara en komponent i den mystiska mörka materian.

Att upptäcka gravitationssignaturen hos dessa "Planck reliker" skulle ge direkt bevis för teorin. Dessutom erbjuder informationen som kodas i deras "vibrationer" (kvasi-normala moder) en konkret matematisk ram som skiljer denna modell från alla andra. Slutligen är energinivåerna typiska för det mycket tidiga universum, vilket innebär att fingeravtryck av denna sjudimensionella geometri kan vara dolda i den kosmiska mikrovågsbakgrunden eller i primordiala (de första gravitationvågorna) gravitationsvågor. Genom att överbrygga gapet mellan de minsta skalorna av svarta hål och Higgsfältets enorma omfattning antyder denna forskning att informationsparadoxen kanske inte kräver att vi skriver om kvantmekaniken. Istället bjuder den in oss att omfamna en djupare, sjudimensionell förståelse av själva väven i vår verklighet.

 Originalpublikationen av Pinčák, R., Pigazzini, A., Pudlák, M. m.fl. Pinčák, R., Pigazzini, A., Pudlák, M. et al. Geometric origin of a stable black hole remnant from torsion in G-manifold geometry. Gen Relativ Gravit 58, 29 (2026) kan läsas här.

Detta svarta hål bildades innan det fanns en galax att växa i.

 

Bild: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion-universitetet); Bildbehandling: Alyssa Pagan (STScI), av  NIRCam på NASAs James Webb Space Telescope visar Little Red Dot Abell2744-QSO1, förstorad och trippelt avbildad i galaxhopen Abell 2744 (Pandoras hop).

Vad kommer först, galaxen eller det svarta hålet? Ingen vet. men forskare har länge trott att det kan vara galaxen: Stora stjärnor inom en befintlig galax förbrukar sitt bränsle och kollapsar för att bilda svarta hål, som kan sluka omgivande material och smälta samman över tid för att öka det svarta hålets massa och storlek är den teori som gäller i dag.

Men det är svårt att förstå hur svarta hål som är miljoner till miljarder gånger gånger större än solens massa, varav tusentals nu har upptäckts skulle kunna finnas i det tidiga universum, Kunnat ha vuxit så snabbt från minimala hål om de nu fanns då. Nu har forskare som använder NASAs James Webb Space Telescope upptäckt tydliga bevis på att vissa supermassiva svarta hål var enorma från början, bildade utan en stjärnkollapsfas och utan en betydligt mer massiv galax att växa i.

"Detta är en anmärkningsvärd upptäckt," beskriver Roberto Maiolino vid University of Cambridge i Storbritannien, medförfattare till studier i ämnet publicerade i Nature och Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.   "Det är ett paradigmskifte, en total omprövning av de klassiska scenarierna för hur svarta hål bildas och växer."

Teamets slutsats bygger på detaljerade observationer av Abell2744-QSO1 (QSO1), en prototypisk Little Red Dot som existerade redan 700 miljoner år efter big bang.

Även om QSO1 bara är 1 300 ljusår tvärs över och dess ljus har färdats i mer än 13 miljarder år, är den lättare att studera än de flesta andra Little Red Dots eftersom den är gravitationellt linsad av galaxhopen Abell 2744 (Pandoras hop). QSO1 är både förstorad och trippelt avbildad, och visas på tre olika platser på himlen.

Inledande studier av QSO1 visade övertygande bevis för att det kan vara  mer än ett moln av glödande väte- och heliumgas som kretsar kring ett supermassivt svart hål uppskattat till 40 miljoner gånger större än vår sols massa. Men precis som med andra tidiga svarta hål som upptäckts av Webb fanns det osäkerhet om det verkligen var så massivt.

"Fram till nu har alla mätningar av svarta håls massa i det tidiga universum varit indirekta, baserade på antaganden från vad vi vet om dem i det lokala universum där vi finns. Vi visste inte om dessa antaganden verkligen gällde det tidiga universum," beskriver medförfattaren Francesco D'Eugenio,  från University of Cambridge. Teamet insåg att om QSO1:s svarta hål är så massivt som det ser ut.

 Cambridge-doktoranden Ignas Juodžbalis och Cosimo Marconcini vid universitetet i Florens, huvudförfattare till en av studierna, använde IFU:s observationer för att kartlägga rörelserna hos vätgasen runt det svarta hålet. När de analyserade rotationshastigheten som en funktion av avståndet från centrum, fann de att gasen har Keplerisk rörelse innebärande att den kretsar runt en central punkt på samma sätt som planeter i vårt solsystem kretsar runt solen. De fann att det svarta hålet inte bara är enormt och har ungefär 50 miljoner gånger större massa än vår sol  och utgör minst  två tredjedelar av QSO1:s totala massa. Denna andel är tusentals gånger större än oss närliggande galaxer i tid och rum där supermassiva svarta hål bara utgör en mycket liten del av värdgalaxens totala massa. Oavsett om QSO1:s svarta hål utvecklades från ett otroligt massivt litet hål som bildades inom den första sekunden av Big Bang eller något senare från kollapsen av ett gigantiskt gasmoln tillkom det nästan säkert stort och kan vara i de tidiga stadierna av att bygga en galax runt sig.

Teamet anser att små röda prickar som den nämnda QSO1 inte var sällsynta i det tidiga universum och nu håller man på att analysera liknande objekt för att ta reda på om supermassiva svarta hål faktiskt föregår galaxerna (finns innan en galax till skillnad mot vad den vanligaste teorin beskriver i dag) där de befinner sig idag.

Svarta hål kolliderar och ger ifrån sig en ton som av en vibrerande gitarrsträng

 

Bild https://www.simonsfoundation.org  När två svarta hål kolliderar och smälter samman ges gravitationsvågor. Dessa vågor kan detekteras av känsliga instrument på jorden vilket gör det möjligt för forskare att bestämma massan och rotationen hos det svarta hålet som nu bildas. Den klaraste signalen för sammanslagning av svarta hål hittills, namnet på händelsen är är GW250114 och spelas in av LIGO i januari 2025 ger nya insikter om dessa mystiska objekt. Maggie Chiang för Simons Foundation.

När svarta hål slås samman ger kollisionen ett nytt, större svart hål som avger en ton som en vibrerande gitarrsträng (eller klockklang) medan det stabiliserar sig i sin slutgiltiga  form. Men istället för ljudvågor ger det nya nu större svarta hålet av gravitationsvågor: krusningar i rumtiden något som först förutspåddes av Albert Einstein.

Det nya svarta hålet vibrerar vid en specifik uppsättning frekvenser beroende på dess massa och rotation något som sedan hjälper forskare att lära sig mer om objektet som bildades i kollisionen.

Dessa vibrationer kan ses som fingeravtrycket från ett svart hål. Att upptäcka dem är centralt för att testa Einsteins allmänna relativitetsteori i universums mest extrema gravitationsmiljöer.

Nu har forskare från University of Cambridge utvecklat en metod för att identifiera och katalogisera dessa lägen med större noggrannhet än tidigare. I tidskriften Physical Review Letters beskriver hur de sållade igenom datorsimuleringar av sammanslagningar av svarta hål och identifierade inte bara den grundläggande tonen som det svarta hålet gav utan också övertonerna de svagare harmoniska tonerna som försvinner snabbare.

"Även om det högsta läget rutinmässigt observeras i gravitationsvågsdata, är många tystare lägen mycket svårare att upptäcka, och det har pågått debatt om vilka lägen som finns och när de uppträder," sade Richard Dyer från Cambridges Institute of Astronomy, studiens försteförfattare. "Vår metod ger ett systematiskt, datadrivet sätt att lösa denna osäkerhet, och våra resultat fungerar som referens för både teoretiska studier och verkliga observationer."

Forskarna baserade sin metod på bayesiansk analys, en statistisk teknik som systematiskt väger bevis för att avgöra den mest sannolika förklaringen till en given datamängd.

Förutom de grundläggande tonerna och övertonerna fann forskarna också ovanliga 'icke-linjära lägen i data vibrationer som uppstår när två eller flera av grundfrekvenserna interagerar med varandra. Dessa är analoga med de komplexa toner en elgitarr kan producera när den spelas med kraftig distorsion. Att upptäcka dessa lägen kräver högkvalitativ data och noggrann analys för att skilja dem från brus.

"Ringdown spectroscopy är en av de mest direkta undersökningarna av svarta hål vi har," beskriver huvidförfattaren till studdien Richard Dyer from Cambridge’s Institute of Astronomyr. "Men att extrahera all information som denna är svårt. Vi ville ha ett principfast, datadrivet sätt att göra det."

Dyer och hans medförfattare Dr Christopher Moore tillämpade sin metod på en offentligt tillgänglig katalog av mycket exakta simuleringar som modellerar gravitationsvågor till den teoretiska gräns där de kan mätas rent. De registrerade vilka lägen som kunde detekteras och när över ett brett spektrum av simulerade kollisioner med svarta hål med olika massförhållanden och rotationskonfigurationer.

Forskarna säger att deras resultat kommer att vara användbara för att tolka data från aktuella gravitationsvågsdetektorer som LIGO och Virgo, samt för nästa generations detektorer. Att veta vilka frekvenser man ska söka efter i en given kollision kan göra det möjligt för forskare att utföra ännu mer precisa tester av allmän relativitetsteori till exempel att kontrollera att egenskaperna hos det slutliga svarta hålet är förenliga med vad Einsteins ekvationer förutsäger.

Den enorma kraften i jetstrålar från svarta hål

 

Bild https://www.curtin.edu.au  som visar den starka stjärnvinden då superjättestjärnan skjuter bort jetstrålarna som skjuts ut av det svarta hålet i närområdet av stjärnan. Källa: International Centre for Radio Astronomy Research

Ny forskning under ledning från Curtin University har använt ett radioteleskop för att ta bilder som mäter den enorma kraften hos jetstrålar från svarta hål vilka bekräftar forskares teorier om hur svarta hål hjälper till att forma universums struktur.

För att registrera mätningen använde forskarna en rad sammanlänkade teleskop över jorden separerade av stora avstånd för att observera jetstrålar från  svarta hål som kastades vidare utifrån ovan stjärnas vindar ungefär som starka vindar på jorden kan driva runt vatten i en fontän.

Genom att känna till vindens kraft och mäta hur mycket jetstrålarna böjdes kunde forskarna för första gången fastställa jetstrålarnas kraft från källan.

Dessutom kunde de bestämma hastigheten på det svarta hålets jetstrålar som visade sig vara ungefär hälften av ljusets hastighet eller 150 000 km per sekund.

Forskningen leddes från Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) och Curtin-noden vid International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) i samarbete med University of Oxford.

Huvudförfattaren Dr Steve Prabu, som arbetade vid CIRA vid tiden för forskningen och som nu är baserad vid University of Oxford, beskriver att forskarna kunde göra mätningen med hjälp av en sekvens av bilder av "rörliga strålar"  till att beskriva jetstrålarnas rörelsemönster när de upprepade gånger avleddes i olika riktningar av superjättestjärnans kraftfulla vindar när stjärnan och det svarta hålet rörde sig runt i sina banor.

Dr Prabu beskrev att mätningen gjorde det möjligt för forskare att förstå vilken andel av energi som frigörs runt svarta hål som kunde avsättas i omgivningen och förändrade miljön.

"En viktig upptäckt från denna forskning är att cirka 10 procent av energin som frigörs när materia faller in mot det svarta hålet trycks bort av jetstrålarna," beskriver Dr Prabu.

"Detta är vad forskare vanligtvis antar i storskaliga simulerade modeller av universum, men det har varit svårt att bekräfta detta tills nu genom observation."

Medförfattaren professor James Miller-Jones, från CIRA och Curtin-noden på ICRAR, beskriver att tidigare metoder endast kunde mäta den genomsnittliga strålkraften över tusentals eller till och med miljontals år vilket förhindrade noggranna jämförelser med röntgenenergin som omedelbart frigjordes från  infallande materia.

"Och eftersom våra teorier antyder att fysiken kring skilda storlekar av svarta hål är mycket lik kan vi nu använda denna mätning för att förankra vår förståelse av jetstrålar, oavsett om de kommer från svarta hål med 10 eller 10 miljoner gånger solens massa," beskriver professor Miller-Jones.

"Med radioteleskopprojekt som Square Kilometre Array Observatory som för närvarande byggs i Western Australia och Sydafrika, förväntar vi oss i framtiden att upptäcka jetstrålar från svarta hål i miljontals avlägsna galaxer och den ankarpunkt som denna nya mätning ger kommer att hjälpa till att kalibrera deras totala effekt.

"Svarta håljetstrålar ger en viktig källa till återkoppling till omgivningen och är avgörande för att förstå galaxers utveckling."

I en artikel publicerad i Nature Astronomy beskriver forskarna att jetstrålarnas kraft i Cygnus X-1  ett system bestående av det första bekräftade svarta hålet och en superjättestjärna motsvarade effekten den från 10000 solar av vår sols storlek.

Sammanslagningen av två svarta hål och dess effekt

 

Bild https://interestingengineering.com  En konstnärs illustration som visar två svarta hål som på väg att kollidera.

Gammastrålning är den kraftfullaste formen av strålning som förekommer i samband med radioaktivitet. Gammastrålning ingår i kosmisk strålning.

I november 2024 registrerade gravitationsvågsdetektorer den våldsamma sammanslagningen av två svarta hål miljarder ljusår bort. Vanligtvis är sådana händelser osynliga för teleskop och skapar endast svaga krusningar i rumtiden. Men den här gången hände något ovanligt. 

Svarta hål kan enklast beskrivas som stjärnor som gjort slut på sitt bränsle och kollapsar inåt. En större stjärna har kollapsat under sin egen tyngd och gravitationen hos detta nya objekt har blivit så stark att elektromagnetisk strålning (bland annat ljus) inte kan ta sig ifrån dess yta. Allmän relativitetsteori (liksom de flesta modeller om gravitation) säger inte bara att svarta hål kan finnas utan förutsäger att de kommer att bildas i naturen närhelst tillräckligt stor mängd materia packas i en viss region, genom ett skeende som kallas gravitationskollaps. 

I en ny studie  beskrivs (se nedan) att rymdteleskop bara sekunder efter att signalen anlände till jorden upptäckte utbrott av gammastrålar (GRB) från samma område därute i kosmos.

Sammanslagningen är känd som S241125n och visar att  kollisioner mellan svarta hål under sällsynta förhållanden kan lysa upp kosmos för en kort stund. Studiens resultat  utmanar den länge hållna uppfattningen att sammanslagningar av svarta hål sker i  vakuum miljöer där minimalt med material finns tillgängligt för att producera strålning. Händelsen dök först upp i data från LIGO–Virgo–KAGRA-nätverket av gravitationsvågsobservatorier. Dessa instrument upptäckte rumtidskrusningar som produceras när två svarta hål slås samman.

Signalen indikerade att händelsen inträffade cirka 4,2 miljarder ljusår bort från jorden vilket motsvarar en kosmisk rödförskjutning på cirka 0,73. 

Tillsammans vägde de två svarta hålen mer än 100 gånger solens massa, vilket placerar händelsen bland de mest massiva sammanslagningar av stjärnmassor som hittills upptäckts. De flesta tidigare observerade sammanslagningar involverar system med  några tiotals solmassor.

Strax efter att gravitationsvågorna nådde jorden dök något oväntat upp i rymdteleskopdata. Ungefär 11 sekunder efter sammanslagningssignalen upptäckte NASAs Swift-satellit ett kort gammautbrott, en intensiv men kort blixt av högenergistrålning, som kom från samma område på himlen.

Kort därefter identifierade Kinas Einstein Probe-satellit en potentiell röntgenefterglöd från samma region. För att förklara hur en sammansmältning av svarta hål kan generera ljus föreslår forskarna att händelsen inträffade i en särskilt energirik miljö i skivan av gas och damm som omger ett supermassivt svart hål i en aktiv galaxkärna (AGN).Hittills har binära svarta håls sammanslagningar endast kunnat upptäckas genom gravitationsvågor. Att se ljus från sådana händelser skulle ge värdefulla ledtrådar om miljöerna där dessa kollisioner äger rum.

Upptäckten kan  hjälpa forskare att förstå hur extremt massiva svarta hål med stjärnmassa bildas. Om sammanslagningar sker inne i aktiva galaxskivor kan upprepade kollisioner i sådana miljöer gradvis skapa allt större svarta hål.

För tillfället är dock bevisen tydliga snarare än definitiva. "Vår modell är prediktiv och vi betonar vikten av att ytterligare begränsa sammanslagningens banexcentricitet och genomföra djupfältsobservationer galaxen där det skedde för att testa vår förklaring," tillägger studieförfattarna Shu-Rui Zhang, Yu Wang, Ye-Fei Yuan, Hiromichi Tagawa, Yun-Feng Wei, Liang Li, Zheng-Yan Liu, Wen Zhao, and Rong-Gen Cai.

Studien publicerades i The Astrophysical Journal. 

Massiva svarta hål kan finnas där vi minst anar det

 

Bild wikipedia Simulering av hur ett svart hål framför Vintergatan skulle se ut. Det svarta hålet har 10 solmassor och ses här från ett avstånd på 600 km. För att upprätthålla detta avstånd krävs en motkraft på omkring 400 miljoner g-krafter. Det går inte fotografera det centrala svarta hålet i Vintergatan då vi inte ser in i centrum från jorden. Men det beräknas finnas genom en upptäckten av en stark radiokälla i centrum som bör bero  på ett svart hål beräknad med en massa av 4 miljoner solmassor. Namnet på detta troliga svarta hål är Sagittarius_A*

Hittills har de största supermassiva svarta hålen med massor på eller nära 10 miljarder gånger större än vår sols hittats i centrum av mycket stora galaxer och i områden fyllda med andra stora galaxer.

I en massiv undersökning finansierad 2014 av National Science Foundation med syftet att väga stjärnorna sammanlagda vikt, mörk materia och centrala svarta hål i de 100 mest massiva, närliggande galaxerna, de som är större än 300 miljarder solmassor och inom 350 miljoner ljusår från jorden en region som innehåller miljontals galaxer. Ett av målen är att hitta ättlingar till lysande kvasarer som kan döljas i stora närliggande galaxer.

Det supermassiva svarta hålet som hittades i NGC1600 är en av projektets första framgångar och som bevisar värdet av en systematisk genomsökning av natthimlen istället för att bara titta i stjärntäta områden som de stora galaxhoparna Coma- och Virgo-hoparna. 

Baserat på spektra tagna av Gemini-teleskopet av centrum av NGC 1600, färdas de flesta stjärnor inom det svarta hålets inflytelsesfär. Ett område av cirka 3 000 ljusårs radie på mestadels cirkulära banor runt det svarta hålet. Det är som om stjärnorna på radiella banor mot det svarta hålet har kastats bort, beskriver Chung-Pei Ma, professor i astronomi vid UC Berkeley och chef för Massive Survey, en studie av de mest massiva galaxerna i det lokala universum med målet att förstå hur galaxer bildas och växer sig supermassiva. Detta skulle bara gälla om de närmaste stjärnorna spreds från ett svart hål-par och slungades bort, precis som NASA slungar rymdsonder runt andra planeter för att ge snabbare hastighet genom solsystemet. Troligen kan denna effekt uttolkas här med.

Det svarta hålets inflytelsesfär det område där massan av synliga stjärnor motsvarar massan av det svarta hålet  är mycket större än händelsehorisonten, platsen utan återvändo som bör vara ungefär åtta gånger större än Plutos bana. 

"På något sätt har stjärnorna stoppats komma nära centrum i mycket massiva galaxer eller klarade de inte att komma in av någon motkraft eller så kom de in och blev utsparkade," beskriver Ma. Stjärnbanorna runt centrum av NGC 1600 indikerar det senare, vilket "kan ge stöd för ett binärt svart hål bildat genom en sammanslagning." Och att denna pågående sammanslagning den gången störde och stötte bort närgångna stjärnor.

Mysteriet med de röda prickarna i universums barndom kan ha lösts

 

Bild https://news.ku.dk  De små röda prickarna är unga svarta hål insvepta i en kokong av gas som de konsumerar för att växa sig större. Denna process genererar enorm värme som visar sig som små röda prickar. Foto: JWST/Darach Watson

Sedan december 2021, då James Webb-teleskopet upptäckta det första ljuset har forskare runt om i världen undrat över dessa röda prickar bland stjärnor och galaxer i bilderna som teleskopet tagit.

De så kallade 'små röda prickarna' kan ses när universum "bara" var flera hundra miljoner år gammalt för att en miljard år senare verka ha försvunnet helt.

Vissa forskare hävdade att de var massiva galaxer, tillräckligt kraftfulla för att James Webb Space Telescope skulle kunna upptäcka dem 13 miljarder år senare. Men den teorin passade inte med hur lång tid  galaxer tog på sig att utvecklas efter Big Bang. Galaxerna bör uppkommit senare (eller att de röda prickarna över tid försvann).

Efter två års kontinuerlig analys av bilder med röda prickar har forskare från Niels Bohr-institutets Cosmic Dawn Centre i Köpenhamn funnit en förklaring. De är de första svarta hålen. De röda prickarna har därmed gett forskare insikt i hur universums första svarta hål kom till. (detta var vad jag också misstänkte att de var, de första svarta hålen eller hål som kom till redan vid BigBang)

"De små röda prickarna är unga svarta hål, hundra gånger mindre massiva än nuvarande insvepta i en kokong av gas som de konsumerar för att växa sig större. Denna process genererar enorm värme som lyser igenom kokongen. Denna strålning genom kokongen är det som ger de små röda prickar dess färg," beskriver professor Darach Watson, en av huvudforskarna bakom studien och beskriver.

"De är mycket mindre massiva än vad folk tidigare trott, så vi behöver inte åberopa helt nya typer av händelser för att förklara dem."

Upptäckten har placerat forskarna från Cosmic Dawn Centre på förstasidan av en av världens största vetenskapliga tidskrifter, Nature  

Studiens författare är V. Rusakov, Darach. Watson, G. P. Nikopoulos, Gabriel Brammer, R. Gottumukkala, T. Harvey, Kasper Elm Heintz, R. Damgaard, S. A. Sim, Albert Sneppen, A. P. Vijayan, N. Adams, D. Austin, C. J. Conselice, C.M. Goolsby, Sune Toft, J. Witstok.

Svarta hål är inte alltid intresserade av att dra in materia allt verkar bero på tid och rum.

 

Bilden https://www.almaobservatory.org är en bild i hög upplösning från  ALMA-teleskopet i Chile av molekylgas, spårad genom emission från kolmonoxidmolekylen i  fyra sammansmältande galaxer med dual AGN. Vi kan tydligt se stora koncentrerade reservoarer av molekylär gas. Källa: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/ M. Johnstone et al. / CATA / J. Utreras

Svarta hål anses sluka allt som kommer i dess väg. Men astronomer som använder Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA teleskopet i Chile) har upptäckt att även supermassiva svarta hål kan vara selektiva av vad de drar i sig vilket kan påverka deras tillväxt. Ett internationellt team av astronomer under ledning av Makoto A. Johnstone, doktorand vid University of Virginia, gjorde denna upptäckt.

De upptäckte att när två massiva, gasrika galaxer smälter samman, driver gravitationen enorma mängder kall molekylär gas mot galaxernas centrum och dess svarta hål (SMBH) finns. Dessa i tid korta turbulenta faser kan lysa upp det ena eller båda de svarta hålen vilket då gör dem till några av de mest energirika objekten i universum. Förvånande nog, hyser inte alla sammanslagna galaxer två aktivt matande svarta hål. Vissa visar bara ett, medan andra inget alls (kan det bero på att mängden tät gas döljer det svarta hålet alternativt att hålen ligger på linje från oss sett så enbart ett kan ses).

Observationerna avslöjade en tät, kaotisk hög av gasmoln runt många svarta hål (särskilt de mer massiva), vilket tyder på att sammanslagningar är mycket effektiva till att leverera bränsle för tillväxt av svarta hål. Ändå ökar inte den nuvarande ljusstyrkan hos de svarta hålen (vilket är ett mått på hur snabbt de växer) med mängden tillgänglig gas. Även med gott om gas i närheten småäter de flesta SMBH:er snarare än frossar vilket tyder på att tillväxten av svarta hål under sammanslagningar kan vara mycket ineffektiv, med inkonsekvent nedbrytning av gas på korta tidsskalor.

"Den ineffektiva tillväxten av det observerade supermassiva svarta hålet, även när täta reservoarer av molekylär gas finns tillgänglig, väcker frågor om de fysiska förhållanden som krävs för att utlösa tillväxtepisoder," beskriver Makoto. "Förutom att förekomma i extremt dammiga miljöer är AGN-aktiviteten sannolikt mycket variabel och episodisk vilket kan förklara varför det har varit så svårt att upptäcka två samtidigt aktiva svarta hål vid sammanslagningar."

Teamet jämförde system där båda var aktiva svart hål (dual AGN) med sammanslagningar där endast ett visade tydlig aktivitet (enkel AGN). I några av dessa enskilda AGN-fall verkade det svarta hålet inte dra till sig gas vilket kan vara för att det inte fanns mycket gas att observera (eller kan det vara för det andra svarta hålets gravitationseffekt var mycket starkare?). 

I andra fall observerades gasen men det svarta hålet vägrade fortfarande dra den till sig möjligen kan det bero  på att observationen hamnade mellan indragningar. "Dessa unika ALMA-observationer visar hur svarta hål aktivt matas under en stor galaxsammanslagning. En händelse som vi starkt misstänker är avgörande för att etablera den observerade kopplingen mellan tillväxt av svarta hål och galaxutveckling. Det är först nu, tack vare de unika och revolutionerande ALMA-möjligheterna som denna studie var möjlig," beskriver Ezequiel Treister, huvudansvarig forskare för detta forskningsprojekt och medförfattare till studien.

Resultaten av undersökningen finns i "Molecular Gas in Major Mergers Hosting Dual and Single AGNs at <10 kpc Nuclear Separations" av Makoto A. Johnstone m.fl. i Astrophysical Journal. 

Nyhet om mörk materia

 

Bild https://www.u-tokyo.ac.jp/ Gammastrålebild av Vintergatans gloria. Gammastrålningsintensitetskarta exklusive komponenter utöver halo som sträcker sig cirka 100 grader i riktning mot galaxens centrum. Den horisontella grå stapeln i den centrala regionen motsvarar det galaktiska planområdet, som uteslöts från analysen för att undvika stark astrofysisk strålning. ©2025 Tomonori Totani, Tokyos universitet.

Ännu vet ingen vad mörk materia. Hittills har forskare endast kunnat observera mörk materia indirekt genom dess effekter på observerbar materia, såsom dess förmåga att ge tillräcklig gravitationskraft för att hålla galaxer samman. Anledningen till att mörk materia inte kan observeras direkt är att partiklarna som utgör mörk materia inte interagerar med elektromagnetisk kraft vilket visas genom att mörk materia inte absorberar, reflekterar eller avger ljus.

Många forskare antar att mörk materia består av något som kallas svagt interagerande massiva partiklar tyngre än protoner men som interagerar mycket lite med annan materia. Trots denna brist på interaktion förutspås det att de två partiklarna kommer att annihilera varandra och släppa ut andra partiklar, inklusive gammastrålfotoner när de kolliderar.

Forskare har i åratal riktat in sig på områden där mörk materia är koncentrerad, ex Vintergatans centrum, genom astronomiska observationer för att finna dessa specifika gammastrålar. Med hjälp av de senaste uppgifterna från Fermi Gamma-ray Space Telescope tror professor Tomonori Totani vid astronomiavdelningen vid Tokyos universitet att han äntligen har upptäckt de specifika gammastrålar som förutsägs av annihilation av teoretiska mörka materiepartiklar.

Vi upptäckte gammastrålar med en fotonenergi på 20 gigaelektronvolt (20 miljarder elektronvolt) som sträckte sig i en haloliknande struktur mot centrum av Vintergatan. Gammastrålningsemissionskomponenten matchar mycket den form som förväntas av mörk materie-halo,"  beskriver Totani.

Viktigt är att dessa gammastrålemätningar inte  kan förklaras lätt av andra vanligare astronomiska fenomen eller gammastrålningsutsläpp. Därför anser Totani att dessa data är en stark indikation på gammastrålningsemission från mörk materia.

"Om detta stämmer, så långt jag vet, skulle det vara första gången mänskligheten har 'sett' mörk materia. Och visar att mörk materia är en ny slags partikel som inte ingår i den nuvarande standardmodellen för partikelfysik. Detta innebär en stor utveckling inom astronomi och fysik," beskriver Totani.

Men även att hans gammastrålemätningar detekterar mörka materiepartiklar, måste hans resultat verifieras genom oberoende analyser av andra forskare. Även med denna bekräftelse vill forskarna ha ytterligare bevis för att den haloliknande strålningen faktiskt är resultatet av mörk materia-annihilation snarare än från andra astronomiska fenomen. Ytterligare bevis av kollisioner på andra platser som hyser hög koncentration av mörk materia skulle stärka dessa initiala resultat. Att upptäcka samma energi som gammastrålningsutstrålningar från dvärggalaxer inom Vintergatans halo till exempel skulle stödja Totanis analys.

Tomonori Totani studie är publicerad som  "20 GeV halo-like excess of the Galactic diffuse emission and implications for dark matter annihilation i" Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (IOPscience): November 26, 2025, doi:10.1088/1475-7516/2025/11/080.. Länk 

Teleskopet XL-Calibur mätresultat ska avslöja svarta håls hemligheter

 

Bild https://source.washu.edu Det ballongburna teleskopet XL-Calibur sköts upp för en sex dagar lång flygning från Swedish Space Corporations Esrange Space Center i Kiruna i juli 2024. Under den flygningen tog teleskopet mätningar på det svarta hålet Cygnus X-1, som finns cirka 7 000 ljusår bort. Forskare vid Washington University i St. Louis kommer att använda resultatet för att förbättra datormodeller till att simulera och avslöja ytterligare mysterier kring svarta hål. (Foto: NASA/SSC).

I ett internationellt samarbete mellan fysiker och forskare vid Washington University i St. Louis det har gjorts mätningar med syftet att bättre förstå hur materia faller in i svarta hål och hur enorma mängder energi och ljus frigörs vid processen.

Forskarna riktade ett ballongburet teleskop kallat XL-Calibur mot ett svart hål, Cygnus X-1, vilket finns cirka 7 000 ljusår från jorden. "De observationer vi gjorde kommer att användas av forskare för att testa allt mer realistiska, toppmoderna datorsimuleringar av fysiska processer nära detta och andra svarta hål," beskriver forskarna Henric Krawczynski, Wilfred R. och Ann Lee Konneker Distinguished Professor i fysik och fellow vid WashU:s McDonnell Center for the Space Sciences.

 XL-Calibur, mäter polarisationen av ljus innebärande riktningen på elektromagnetiska fältvibrationer. Information om riktningen och vibrationerna ger forskare viktiga ledtrådar för att bestämma formen på den extremt heta gas och det material som i  våldsam fart kretsar omkring svarta hål.

Observationerna och analysen av insamlad data från Cygnus X-1 publicerades nyligen i The Astrophysical Journal och inkluderar den mest precisa mätningen hittills av den hårda röntgenpolarisationen från ovan svarta hålet. Artikeln skrevs i samarbete med flera av Krawczynskis fysikkollegor vid WashU, inklusive doktoranden Ephraim Gau och postdoktorala forskaren Kun Hu, som var mycket involverade i forskningen som korresponderande författare.

En sekund efter BigBang uppstod teoretiskt de första svarta hålen, bosonstjärnorna och kannibalstjärnorna

 

Bild https://europa.tips/en/night-tourism-stargazing-europe

Innan atomära grundämnen kom till vilket skedde mindre än en sekund efter Big Bang kunde partiklar ha kollapsat och skapat de första svarta hålen, bosonstjärnorna  och de så kallade kannibalstjärnorna.  Detta skedde innan atomära grundämnen bildades.

Detta är slutsatsen i en ny studie som just publicerats i Physical Review D, utförd av ett team av forskare från SISSA – Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, i samarbete med INFN, IFPU och University of Warszawa.

Med utgångspunkt från hypotesen, som föreslagits i vissa kosmologiska modeller, att det i de tidigaste faserna av universum fanns en kort tidig materiadominerad era (EMDE), undersökte författarna hur partiklar kan ha interagerat med varandra och upptäckte att sådana interaktioner kunde ge upphov till en överraskande variation av kosmiska objekt.

Studien visar  att universum redan i de allra första ögonblicken efter Big Bang kunde vara en scen för en rik och komplex fysikalisk fenomenologi.

Mer om detta kan man läsa om här i detta pressmeddelande i form av en pdf-fil. 

Fenomenet när två svarta hål upptäcktes slås samman förklarat

 

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

Exploderande svarta hål kan avslöja mer om universums historia.

 

Bild https://www.umass.edu/ Illustratörs koncept visar  ett fantasifullt tillvägagångssätt för att föreställa sig små ursprungliga svarta hål. I själva verket skulle sådana små svarta hål ha svårt att bilda ackretionsskivorna som gör dem synliga som bilden visar. NASA:s Goddard Space Flight Center.

Fyndet av ett svart hål som exploderar skulle bli ett starkt bevis för en teori om en  typ av svart hål som aldrig observerats, ett så kallat "ursprungligt svart hål", bildat mindre än en sekund efter Big Bang för 13,8 miljarder år sedan. Dessutom skulle explosionen ge oss en definitiv katalog över alla subatomära partiklar som existerar, inklusive de vi har observerat, som elektroner, kvarkar och Higgsbosoner. Men även de partiklar som vi bara har hypoteser om, som partiklar av mörk materia liksom allt annat som kan finnas men hittills är helt okänt för vetenskapen. Denna katalog skulle äntligen svara på en av mänsklighetens äldsta fråga: varifrån kom allt som existerar?

Vi vet att svarta hål existerar och vi har en god förståelse för deras livscykel: en gammal, stor stjärna får slut på bränsle, imploderar i en massivt kraftfull supernova och lämnar efter sig ett område av rumtiden med så intensiv gravitation att ingenting, inte ens ljus, kan fly därifrån. Dessa svarta hål är otroligt tunga och är i princip stabila.

Men, som fysikern Stephen Hawking påpekade 1970, kan en annan typ av svart hål finnas. Ett ursprungligt svart hål (PBH) inte skapas av en stjärnas kollaps utan av universums ursprungliga förhållanden strax efter Big Bang. PBH:er, är likt kända svarta hål så massivt täta att nästan ingenting kan undkomma dem. Inte ens ljus därför är de svarta. Men trots sin densitet kan PBH:er vara mycket ljusare än de svarta hål som vi hittills har observerat. Dessutom visade Hawking att svarta hål har en temperatur och i teorin skulle kunna att långsamt sända ut partiklar via det som kallas "Hawkingstrålning" om de blev tillräckligt varma. 

– Ju ljusare ett svart hål är desto varmare borde det vara och desto fler partiklar kommer det att släppa från sig. När PBH:er avdunstar blir de allt lättare och därmed varmare och avge än mer strålning i en skenande process fram till att de exploderar. Det är den Hawkingstrålningen som våra teleskop kan upptäcka, beskriver Andrea Thamm, medförfattare och biträdande professor i fysik vid University of Massachusetts Amherst . Men ingen har någonsin direkt observerat en PBH.

– Vi vet hur man observerar den här Hawkingstrålningen, beskriver Joaquim Iguaz Juan, postdoktoral forskare i fysik vid University of Massachusetts Amherst. "Vi kan se det med vår nuvarande uppsättning teleskop och eftersom de enda svarta hålen som kan explodera idag eller inom en snar framtid är dessa PBH:er, vi vet att om vi ser Hawkingstrålning så ser vi en exploderande PBH."

Teamets nya hypotes är att de är redo för att se en explosion. "Vi tror att det finns upp till 90 procents chans att bevittna en exploderande PBH under de kommande 10 åren", beskriver Aidan Symons, en av artikelns medförfattare och doktorand i fysik vid University of Massachusetts Amherst.

I sitt arbete utforskar teamet en "mörk QED-modell". Detta är i huvudsak en kopia av den vanliga elektriska kraften som vi känner den, men som inkluderar en mycket tung, hypotetisk version av elektron, som teamet kallar en "mörk elektron".

Forskarlaget omprövade sedan gamla antaganden om den elektriska laddningen hos svarta hål. Vanliga svarta hål har ingen laddning, och det antogs att PBH:er också är elektriskt neutrala.

"Vi gör ett annat antagande", beskriver Michael Baker, medförfattare och biträdande professor i fysik vid University of Massachusetts Amherst. – Vi visar att om ett ursprungligt svart hål bildas med en liten mörk elektrisk laddning så förutsäger modellen att det ska stabiliseras tillfälligt innan det slutligen exploderar, beskriver han. Genom att ta hänsyn till alla kända experimentella data finner  vi då att vi ska potentiellt  kunna observera en PBH-explosion inte en gång på 100 000 år som man tidigare trott, utan en gång per 10 år.

"Vi påstår inte att det absolut kommer att hända under det här decenniet", beskriver Baker, "Men det kan finnas en 90-procentig chans att det gör det. Eftersom vi redan har tekniken för att observera dessa explosioner bör vi vara redo.

Iguaz Juan tillägger: "Detta skulle vara den första direkta observationen  isåfall någonsin av både Hawking-strålning och en PBH. Vi skulle  få ett definitivt register över varje partikel som utgör allt som finns i universum. Det skulle revolutionera fysiken helt och  skriva om universums historia. 

En forskningsrapport finns publicerad i Physical ReviewLetters  

Det verkar som ett stort okänt kompakt objekt skapat binära svarta hål.

 

Bild https://english.cas.cn/ Sammanslagning av binära svarta hål nära ett tredje supermassivt troligen svart hål. (Bild av SHAO)

Nyligen upptäckte en forskargrupp under ledning av Dr. HAN Wenbiao vid SHAO (Shanghai Astronomical Observatory of the Chinese Academy of Sciences)  övertygande bevis på  en fusion av binära svarta hål(två svarta hål som sammanslås) Händelsen kallas GW190814 och skeendet  inträffade i gravitationsfältet av ett tredje kompakt objekt, möjligen var detta också ett stort svart hål.

Upptäckten, publicerades den 21 juli i The Astrophysical Journal Letters 

 I ovan artikel beskrivs nya rön av att lösa mysteriet med hur binära svarta hål bildas.

Sedan den första upptäckten av gravitationsvågor 2015 har det i  LIGO-Virgo-KAGRA-samarbetet observerats över 100 gravitationsvågor varav de flesta har sitt ursprung i kollisioner mellan binära svarta hål. Dessa händelser har gett viktig data för att förstå fysiken bakom sammanslagning av två svarta hål. Men mekanismerna bakom deras bildning och utveckling är ännu oklar.

Dr. HAN:s team har tidigare föreslagit "b-EMRI"-modellen som beskrivs i denna artikel   där ett supermassivt svart hål fångar in ett binärt svart hål och skapar ett hierarkiskt trippelsystem. De binära svarta hålen "dansar" runt det supermassiva svarta hålet och sänder ut gravitationsvågor över flera frekvensband. Detta system inkluderades senare i LISA:s vitbok och listades som en unik källa i Kinas rymdburna gravitationsvågsdetekteringsprojekt.

Sedan dess har forskarlaget letat efter bevis för att binära svarta hål slås samman nära supermassiva svarta hål i data från LIGO-Virgo instrumenten.

Genom sin analys fokuserade teamet på gravitationsvågshändelsen GW190814. Medförfattaren till studien Dr. YANG Shucheng förklarar i studien att dess binära komponenter uppvisar ett ovanligt massförhållande på nästan 10:1. En sådan extrem skillnad tyder på att de en gång kan ha varit en del av ett trippelsystem med ett supermassivt svart hål, som gradvis dras närmare av gravitationens interaktion. Alternativt kan de ha bildats i ackretionsskivan i en aktiv galaxkärna, dragits samman av gravitationen från omgivande kompakt objekt innan de sammanslogs samman.

Forskarna observerade att om ett binärt svart hål sammanslås nära ett tredje kompakt objekt, skulle omloppsrörelsen runt det tredje objektet (som troligen även detta är ett svart hål) ge en siktlinjeacceleration innebärande en acceleration längs observatörens siktlinje. Denna acceleration skulle förändra gravitationsvågens frekvens genom dopplereffekten vilket lämnar ett distinkt "spår" i signalen. 

Med nästa generation av markbaserade gravitationsvågsdetektorer (t.ex. Einstein Telescope, Cosmic Explorer) och rymdbaserade detektorer (t.ex. LISA, Taiji, TianQin) kommer forskare att kunna fånga subtila variationer i gravitationsvågssignaler med ännu större precision. Framtida observationer kan då avslöja fler händelser liknande  GW190814, vilket då blir till hjälp för att bättre förstå bildandet och utvecklingen av binära svarta hål.