I en artikel publicerad i The Astrophysical Journal Letters rapporterar det internationella samarbetet LIGO-Virgo-KAGRA om upptäckten av två gravitationsvågshändelser i oktober och november 2024 med ovanliga svarta hålspinn. Denna observation tillför en viktig ny pusselbit till vår förståelse av de mest svårfångade fenomenen i universum.
Gravitationsvågor är ”krusningar” i rumtiden som uppstår till följd av katastrofala händelser i rymden, där de starkaste vågorna produceras av kollisioner mellan svarta hål.
Med hjälp av sofistikerade algoritmiska tekniker och matematiska modeller kan forskarna rekonstruera många fysiska egenskaper hos de upptäckta svarta hålen från analysen av gravitationssignalerna, såsom deras massa och avståndet från jorden, och till och med hastigheten och riktningen på deras rotation kring sin axel, så kallad spinn.
Den första fusionen som upptäcktes den 11 oktober 2024 (GW241011) inträffade ungefär 700 miljoner ljusår bort och var resultatet av kollisionen mellan två svarta hål med en massa på cirka 17 respektive sju gånger solens massa. Det större av de två svarta hålen i GW241011 mättes vara ett av de snabbast roterande svarta hål som hittills observerats.
Nästan en månad senare, den 10 november 2024, upptäcktes GW241110, som kom från cirka 2,4 miljarder ljusår bort och involverade en sammanslagning av svarta hål med ungefär 16 respektive åtta gånger solens massa. Medan de flesta observerade svarta hål roterar i samma riktning som sin bana, noterades det primära svarta hålet i GW241110 rotera i motsatt riktning mot sin bana – det första i sitt slag.
”Varje ny upptäckt ger viktiga insikter om universum och påminner oss om att varje observerad sammansmältning både är en astrofysisk upptäckt och ett ovärderligt laboratorium för att undersöka fysikens grundläggande lagar”, säger medförfattaren Carl-Johan Haster, biträdande professor i astrofysik vid University of Nevada, Las Vegas (UNLV).
”Dubbla svarta hål som dessa hade förutsetts utifrån tidigare observationer, men detta är det första direkta beviset för deras existens.”
Sammansmältning av binära svarta hål Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology. Källa: Sammansmältning av binära svarta hål Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology
Intressant nog pekar båda upptäckterna på möjligheten av ”andra generationens” svarta hål.
”GW241011 och GW241110 är bland de mest ovanliga händelserna bland de flera hundra som LIGO-Virgo-KAGRA-nätverket har observerat”, säger Stephen Fairhurst, professor vid Cardiff University och talesperson för LIGO Scientific Collaboration.
”Eftersom båda händelserna har ett svart hål som är betydligt mer massivt än det andra och snurrar snabbt, ger de spännande bevis för att dessa svarta hål bildades från tidigare svarta hålfusioner.”
Forskare pekar på vissa ledtrådar, bland annat storleksskillnaden mellan de svarta hålen i varje fusion – det större var nästan dubbelt så stort som det mindre – och rotationsriktningen för det större av de svarta hålen i varje händelse. En naturlig förklaring till dessa särdrag är att de svarta hålen är resultatet av tidigare sammansmältningar.
Denna process, som kallas hierarkisk sammansmältning, tyder på att dessa system bildades i täta miljöer, i regioner som stjärnhopar, där svarta hål är mer benägna att kollidera med varandra och smälta samman om och om igen.
”Dessa upptäckter belyser de extraordinära förmågorna hos våra globala gravitationsvågsobservatorier”, säger Gianluca Gemme, talesperson för Virgo Collaboration.
”De ovanliga spinnkonfigurationerna som observerats i GW241011 och GW241110 utmanar inte bara vår förståelse av svarta håls bildande, utan erbjuder också övertygande bevis för hierarkiska sammanslagningar i täta kosmiska miljöer: de lär oss att vissa svarta hål inte bara existerar som isolerade partners utan sannolikt som medlemmar i en tät och dynamisk folkmassa.
”Dessa upptäckter understryker vikten av internationellt samarbete för att avslöja de mest svårfångade fenomenen i universum.”
Upptäck dolda egenskaper hos svarta hål som går samman
Gravitationsvågor förutsågs först av Albert Einstein som en del av hans allmänna relativitetsteori 1916, men deras existens – trots att den bevisades på 1970-talet – observerades inte direkt av forskare förrän för bara 10 år sedan, när de vetenskapliga samarbetena LIGO och Virgo tillkännagav upptäckten av vågorna som ett resultat av en sammanslagning av svarta hål.
Sammanslagning av dubbla svarta hål Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology. Källa: Sammanslagning av dubbla svarta hål Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology
Idag är LIGO-Virgo-KAGRA ett världsomspännande nätverk av avancerade gravitationsvågsdetektorer och är nära slutet av sin fjärde observationsomgång, O4.
Den nuvarande omgången inleddes i slutet av maj 2023 och förväntas pågå till mitten av november i år. Hittills har cirka 300 svarta hålfusioner observerats genom gravitationsvågor, inklusive kandidater som identifierats i den pågående O4-omgången och som väntar på slutgiltig validering.
Vidare, i fallet med den observation som tillkännagavs idag, gjorde precisionen med vilken GW241011 mättes det också möjligt att testa viktiga förutsägelser i Einsteins allmänna relativitetsteori under extrema förhållanden.
Faktiskt kan denna händelse jämföras med förutsägelser från Einsteins teori och matematikern Roy Kerrs lösning för roterande svarta hål. Det svarta hålets snabba rotation deformerar det något, vilket lämnar ett karakteristiskt avtryck i de gravitationsvågor det avger.
Genom att analysera GW241011 fann forskarteamet en utmärkt överensstämmelse med Kerrs lösning och verifierade återigen Einsteins förutsägelse, men med en aldrig tidigare skådad noggrannhet.
Eftersom de enskilda svarta hålens massor skiljer sig avsevärt åt innehåller gravitationsvågsignalen dessutom ett ”brum” från en högre överton – liknande övertonerna från musikinstrument, som endast har observerats för tredje gången någonsin i GW241011. En av dessa övertoner observerades med utomordentlig klarhet och bekräftar en annan förutsägelse från Einsteins teori.
”Denna upptäckt innebär också att vi är mer känsliga än någonsin för ny fysik som kan ligga bortom Einsteins teori”, säger Haster.
Binära svarta hål som smälter samman Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology. Källa: Binära svarta hål som smälter samman Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology
Avancerad sökning efter elementarpartiklar
Snabbt roterande svarta hål som de som observerats i denna studie har ännu en tillämpning – inom partikelfysiken. Forskare kan använda dem för att testa om vissa hypotetiska lätta elementarpartiklar existerar och hur massiva de är.
Dessa partiklar, som kallas ultralätta bosoner, förutsägs av vissa teorier som går utöver standardmodellen för partikelfysik, som beskriver och klassificerar alla kända elementarpartiklar. Om ultralätta bosoner existerar kan de extrahera rotationsenergi från svarta hål. Hur mycket energi som extraheras och hur mycket rotationen hos de svarta hålen saktar ner över tid beror på massan hos dessa partiklar, som fortfarande är okänd.
Observationen att det massiva svarta hålet i det binära systemet som emitterade GW241011 fortsätter att rotera snabbt även miljoner eller miljarder år efter att det bildades utesluter ett stort antal ultralätta bosonmassor.
”Detektering och undersökning av dessa två händelser visar hur viktigt det är att använda våra detektorer i synergi och att sträva efter att förbättra deras känslighet”, säger Francesco Pannarale, professor vid Sapienza-universitetet i Rom och medordförande för Observational Science Division of the LIGO-Virgo-KAGRA Collaborations.
”LIGO- och Virgo-instrumenten har lärt oss ännu mer om hur svarta hål-binärer kan bildas i vårt universum”, tillägger han, ”liksom om den grundläggande fysik som reglerar dem i sin essens. Genom att uppgradera våra instrument kommer vi att kunna fördjupa oss i dessa och andra aspekter med ökad precision i våra mätningar.”
Mer information: GW241011 och GW241110: Utforskning av binärbildning och grundläggande fysik med asymmetriska, högspinniga svarta hålskollisioner, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae0d54
