I januar 2016 ga forskere ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie da de kunngjorde den første deteksjonen av gravitasjonsbølger noensinne. Støttet av National Science Foundation (NSF) og drevet av Caltech og MIT, er LIGO dedikert til å studere bølgene som er forutsagt av Einsteins teori om generell relativitet og forårsaket av fusjon av svart hull.
I følge en ny studie fra et team av astronomer fra Center of Cosmology ved University of California Irvine, er slike sammenslåinger langt vanligere enn vi trodde. Etter å ha gjennomført en undersøkelse av kosmos beregnet på å beregne og kategorisere sorte hull, bestemte UCI-teamet at det kunne være så mange som 100 millioner sorte hull i galaksen, et funn som har betydelige implikasjoner for studiet av tyngdekraftsbølger.
Studien som beskriver funnene deres, med tittelen “Counting Black Holes: The Cosmic Stellar Remnant Population and Implications for LIGO”, dukket nylig opp i Månedlige merknader fra Royal Astronomical Society. Under ledelse av Oliver D. Elbert, en postdoc-student ved Institutt for fysikk og astronomi ved UC Irvine, gjennomførte teamet en analyse av gravitasjonsbølgesignaler som er blitt oppdaget av LIGO.
Studien deres begynte for omtrent halvannet år siden, kort tid etter at LIGO kunngjorde den første deteksjonen av gravitasjonsbølger. Disse bølgene ble skapt ved sammenslåing av to fjerne sorte hull, som hver tilsvarte massen til omtrent 30 soler. Som James Bullock, professor i fysikk og astronomi ved UC Irvine og en medforfatter på papiret, forklarte i en UCI-pressemelding:
"Fundamentalt var deteksjonen av gravitasjonsbølger en stor avtale, ettersom det var en bekreftelse av en nøkkelprediksjon av Einsteins generelle relativitetsteori. Men så så vi nærmere på astrofysikken til det faktiske resultatet, en sammenslåing av to 30-solsmasse sorte hull. Det var ganske enkelt forbløffende og fikk oss til å spørre: "Hvor vanlige er sorte hull i denne størrelsen, og hvor ofte smelter de sammen?"
Tradisjonelt har astronomer vært av den oppfatning at sorte hull typisk vil være omtrent samme masse som vår sol. Som sådan forsøkte de å tolke flere gravitasjonsbølgedeteksjoner gjort av LIGO i form av hva som er kjent om galakseformasjon. Utover dette forsøkte de også å lage et rammeverk for å forutsi fremtidige sammenslåinger av svart hull.
Av dette konkluderte de med at Melkeveis galaksen ville være hjemsted for opptil 100 millioner sorte hull, hvorav 10 millioner ville ha en estimert masse på omtrent 30 solmasser - dvs. lik de som slo seg sammen og skapte de første gravitasjonsbølgene oppdaget av LIGO i 2016. I mellomtiden ville dverggalakser - som Draco Dwarf, som går i bane i en avstand på omtrent 250 000 ly fra sentrum av galaksen vår - rundt 100 sorte hull.
De bestemte videre at i dag bor de fleste svarte hull med lav masse (~ 10 solmasser) i galakser med 1 billion solmasser (massive galakser) mens massive sorte hull (~ 50 solmasser) bor i galakser som har rundt 10 milliarder solmasser (dvs. dverggalakser). Etter å ha vurdert forholdet mellom galaksmasse og stjernemetallisitet, tolket de galaksens svart hulltelling som en funksjon av dens stjernemasse.
I tillegg søkte de også å bestemme hvor ofte sorte hull oppstår i par, hvor ofte de smelter sammen og hvor lang tid dette vil ta. Analysen deres indikerte at bare en liten brøkdel av sorte hull ville trenge å være involvert i fusjoner for å imøtekomme det LIGO observerte. Det bød også på spådommer som viste hvordan enda større sorte hull kunne slå seg sammen i løpet av det neste tiåret.
Som Manoj Kaplinghat, også en UCI-professor i fysikk og astronomi og den andre medforfatteren på studien, forklarte:
”Vi viser at bare 0,1 til 1 prosent av de svarte hullene som dannes, må slå seg sammen for å forklare hva LIGO så. Selvfølgelig må de sorte hullene komme nær nok til å fusjonere på rimelig tid, noe som er et åpent problem ... Hvis de nåværende ideene om den stellare evolusjonen stemmer, så indikerer beregningene våre at sammenslåinger av til og med 50-solsmasse sorte hull vil bli oppdaget om noen år. "
Med andre ord, galaksen vår kunne være full av svarte hull, og sammenslåing kan skje regelmessig (relativt til kosmologiske tidsskalaer). Som sådan kan vi forvente at mange flere gravitasjonsbølgedeteksjoner vil være mulig de kommende årene. Dette burde ikke komme som noen overraskelse, da LIGO har gjort ytterligere to deteksjoner siden vinteren 2016.
Med mange flere som forventes å komme, vil astronomer ha mange muligheter til å studere sorte hullfusjoner, for ikke å snakke om fysikken som driver dem!
