Forskare hittar de svarta hålens felande länk

I mitten av stora galaxer finns ett supertungt svart hål som väger flera miljoner gånger mer än solen. Hur dessa jättar uppstod har hittills varit en gåta, men nu har forskare hittat pusselbiten som saknades.

Svarta hål, felande länk
© NASA/JPL-Caltech

För länge sedan i en dvärggalax långt, långt bort utspelas ett drama av kosmiska dimensioner. En stjärna kommer för nära ett lurande svart hål och sugs in av den extrema gravitationen.

Stjärnan kommer inte undan. I en spiralrörelse dras den allt närmare tills den slutligen slits isär.

Det svarta hålet slukar en stor del av stjärnan och slungar iväg resten i en jättelik båge av glödhet materia, som i ett överglänser allt annat ljus från dvärggalaxens stjärnor.

Åttahundrafemtio miljoner år senare, i juni 2020, riktar en grupp astronomer på jorden av en slump sina teleskop mot dvärggalaxen. De letar efter supernovor, det vill säga exploderande stjärnor, men plötsligt ser de det skarpa skenet från stjärnans dödskamp.

Nu, efter två års ingående analyser, vet forskarna vad det var som låg bakom ljusskenet.

Det var en stjärna som slukades av ett svart hål. Ännu viktigare är dock att det svarta hålet är av ett slag som forskarna mycket sällan ser.

Beräkningar visar nämligen att det måste väga mellan 100 000 och en miljon gånger mer än solen. Därmed tillhör det klassen medelstora svarta hål.

Just denna viktklass har i årtionden varit eftersökt av forskarna, eftersom den kan lösa en av astronomins stora gåtor: Hur har de tyngsta svarta hålen i hjärtat av galaxerna blivit så stora? Svaret på den frågan har en avgörande betydelse för hur vår egen galax Vintergatan uppstod.

Svarta hål är osynliga

Svarta hål är ett av universums mest egendomliga fenomen. De bildas när en stor massa samlas på ett mycket litet område, så att gravitationen blir ofantligt stark. Allt som sugs in i ett svart hål kommer för alltid att vara osynligt, eftersom inte ens ljus kan slita sig loss från gravitationens kraft.

Det betyder också att svarta hål är omöjliga att se. De avslöjar bara sin existens genom hur deras gravitation påverkar omgivningarna.

Svarta hål delas in i tre viktklasser, där den lättaste inkluderar hål med en massa som motsvarar den som ett mindre antal stjärnor har. I den tyngsta kategorin återfinns de supertunga svarta hålen, som kan väga flera miljoner gånger mer.

Tre viktklasser av svarta hål

Astronomerna delar in svarta hål i tre kategorier utifrån deras massa. Det finns inga exakta gränser mellan viktklasserna, men det har visat sig att svarta hål i den mellersta kategorin är väldigt svåra att hitta.

Lättviktare: Skapas av exploderande stjärnor
© Shutterstock

Lättviktare: Skapas av exploderande stjärnor

Den lättaste klassen av svarta hål bildas när stjärnor på minst tre gånger solens massa brinner ut, exploderar och kollapsar. Svarta hål av den här klassen väger vanligen mellan tre och tio solmassor, men den sträcker sig ända upp till 100 solmassor.

Mellanviktare: Döljer sig för astronomerna
© Shutterstock

Mellanviktare: Döljer sig för astronomerna

Svarta hål på mellan 100 och en miljon solmassor har det hittills varit svårt att hitta några säkra bevis på. Om de finns i stora antal kan det vara ett tecken på att de utgör ett mellansteg som förbinder lättviktarna med tungviktarna.

Tungviktare: Härskar i galaxernas mitt
© Shutterstock

Tungviktare: Härskar i galaxernas mitt

De så kallade supertunga svarta hålen finns i mitten av stora galaxer, till exempel i Vintergatan. Tungviktarna kan väga allt från en miljon till flera miljarder solmassor. Astrofysikerna är osäkra på hur de supertunga svarta hålen bildas.

Astronomerna har hittat hundratals svarta hål som klassas som lättviktare och tungviktare, men bara en handfull mellanviktare. Och spåren efter dessa – i form av strålning – är i flera fall inte helt säkra. Därför har mellanviktarna kallats de svarta hålens felande länk.

Om de finns i stort antal kan de vara ett stadium mellan lätta och supertunga svarta hål, vilket skulle bekräfta en teori om att tungviktarna har bildats genom att tusentals mindre svarta hål smält samman under loppet av miljardtals år.

Ljuskurva avslöjar felande länk

Den nya upptäckten av ett medelstort svart hål i en dvärggalax gjordes av en slump. En internationell grupp astronomer letade efter supernovor med två optiska teleskop på Hawaii när de lade märke till ljusskenet från dvärggalaxen 850 miljoner ljusår bort.

Det skarpa skenet tilltog mycket snabbt i styrka, och under de följande dagarna och veckorna följde forskarna dvärggalaxen med ännu fler teleskop, bland annat rymdteleskopet Hubble.

Hubbleteleskopet registrerade ljussken

Hubbleteleskopet registrerade ljusskenet när en stjärna slets isär av det nyligen upptäckta medelstora svarta hålet.

© NASA/ESA/Ryan Foley/UC Santa Cruz

Efter bara 13 dagar nådde strålningskurvan sin kulmen, varefter den långsamt började sjunka.

Ett sådant förlopp stämmer inte med en supernova. Det påminner mer om den strålningskurva som astronomer tidigare har sett när ett supertungt svart hål sliter sönder en stjärna – fast med en viktig skillnad: Kurvan nådde sin kulmen dubbelt så snabbt, precis som teoretiska modeller har förutsagt att den skulle göra ifall det rörde sig om ett medelstort svart hål.

Svarta hål och ljussken

En del av stjärnan slungades ut ur det svarta hålet och gav ifrån sig ett ljussken som kulminerade efter 13 dagar (grafen). Det stämmer med att stjärnan slukades av ett medelstort svart hål.

© M. Kornmesser/ESO

Utifrån modellerna och strålningskurvan kunde astronomerna ringa in det svarta hålets massa till någonstans mellan 100 000 och en miljon solmassor. Det är första gången forskare har använt sig av den hastighet med vilken strålningen klingar av för att beräkna ett svart håls massa.

Att det medelstora svarta hålet har upptäckts i en dvärggalax gör det extra intressant, eftersom det ger stöd åt teorin att de supertunga svarta hålen har skapats genom att flera dvärggalaxer smält samman.

13 dagar tog det för ljuset från galaxen att nå sin kulmen. Då förstod forskarna att det svarta hålet var en mellanviktare.

Om alla dvärggalaxer innehåller ett medelstort svart hål kan de svarta hålen ha slukat varandra och bildat ett ännu större svart hål. Resultatet har med tiden blivit det vi ser i dag: supertunga svarta hål i stora galaxers hjärta.

Mot denna teori står en annan, enligt vilken de stora galaxerna och de supertunga svarta hålen i mitten av dem uppstod samtidigt ur ett gigantiskt gasmoln.

Två teorier förklarar supertunga svarta hål

Hur de stora galaxerna med supertunga svarta hål i mitten blev till är en av astronomins stora gåtor. Forskarna arbetar med två motstridiga teorier, som båda har sina styrkor och svagheter.

Alla svarta hål föds små
© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

TEORI 1: Alla svarta hål föds små

I universums barndom kollapsade utbrända stjärnor i dvärggalaxer och gav upphov till små svarta hål, som smälte samman till mellanviktare. När galaxerna slogs samman fusionerade även de svarta hålen.

  • Styrka: Forskarna vet att små svarta hål kan smälta samman. Det dokumenterades för första gången år 2015 genom mätningar av gravitationsvågor, som rullar fram genom universum när stora massor sätts i rörelse.
  • Svaghet: Teorin förutsätter att svarta hål i mellanviktsklassen kan smälta samman, vilket ännu inte har observerats.
Tungviktarna har alltid varit stora
© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

TEORI 2: Tungviktarna har alltid varit stora

De stora galaxerna bildades i det tidiga universum av jättelika gasmoln. I vart och ett av molnen samlades materien i de yttre områdena till stjärnor, medan molnets centrala del kollapsade till ett supertungt svart hål.

  • Styrka: Observationer visar att det fanns supertunga svarta hål redan för tio–tolv miljarder år sedan. Universum är bara 13,8 miljarder år gammalt, så de första svarta hålen måste ha bildats snabbt.
  • Svaghet: Enligt datorsimuleringar kan ett gasmoln kollapsa till ett svart hål, men astronomerna har aldrig sett några tecken på det.

Teorierna om de supertunga svarta hålens uppkomst hör därmed tätt ihop med hur stora galaxer som Vintergatan, vår egen galax, har utvecklats.

För att räta ut det frågetecknet behöver astronomerna lära sig mer om de medelstora svarta hålen, och i och med den nya upptäckten har de fått bättre redskap för att kunna göra det.

Nu vet nämligen forskarna både att de ska leta i dvärggalaxer och vad de ska hålla utkik efter: ljussken med ett förlopp som kännetecknar en stjärnas fatala möte med ett medelstort svart hål.

I Chile kommer ett nytt teleskop, Vera C. Rubin, snart att kunna bidra till detta sökande. Teleskopet har en 8,4 meter stor spegel och är därmed bättre lämpat för att studera det svaga ljuset från dvärggalaxer.

Det nya superteleskopet Vera C. Rubin

Det nya superteleskopet Vera C. Rubin i Chile kommer att kunna registrera ljuset från tusentals stjärnor när de slukas av medelstora svarta hål i avlägset belägna dvärggalaxer.

© Rubin Observatory/NSF/AURA

När teleskopet Vera C. Rubin är i drift år 2024 kan det både övervaka en större del av himlavalvet och se längre ut i rymden. Astronomerna räknar med att teleskopet inom loppet av tio år kommer att ha hittat 80 000 ljussken från stjärnor som slukas av svarta hål.

Om många av dem är mellanviktare kommer det både att hjälpa oss att förstå hur svarta hål växer och hur vårt eget hem i universum, Vintergatan, blev till.