I januari 2016 gjorde forskare vid Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historia när de tillkännagav den första upptäckten av gravitationsvågor någonsin. LIGO stöds av National Science Foundation (NSF) och drivs av Caltech och MIT och ägnar sig åt att studera de vågor som förutspås av Einsteins teorin om allmän relativitet och orsakas av sammanslagningar av svarthål.
Enligt en ny studie av ett team av astronomer från Center of Cosmology vid University of California Irvine är sådana sammanslagningar mycket vanligare än vi trodde. Efter att ha genomfört en undersökning av kosmos avsedd att beräkna och kategorisera svarta hål, bestämde UCI-teamet att det kunde finnas så många som 100 miljoner svarta hål i galaxen, ett fynd som har betydande konsekvenser för studien av gravitationsvågor.
Studien som beskriver deras resultat, med titeln "Counting Black Holes: The Cosmic Stellar Remnant Population and Implications for LIGO", dök nyligen upp i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society. Ledd av Oliver D. Elbert, en postdoc-student vid institutionen för fysik och astronomi vid UC Irvine, genomförde teamet en analys av gravitationsvågsignaler som har upptäckts av LIGO.
Deras studie började för ungefär ett och ett halvt år sedan, kort efter att LIGO meddelade den första upptäckten av gravitationsvågor. Dessa vågor skapades genom sammanslagningen av två avlägsna svarta hål, som var och en motsvarade i massa till cirka 30 solar. Som James Bullock, professor i fysik och astronomi vid UC Irvine och medförfattare på tidningen, förklarade i ett UCI-pressmeddelande:
”I grund och botten var upptäckten av gravitationsvågor en stor del, eftersom det var en bekräftelse av en nyckelförutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori. Men då tittade vi närmare på astrofysiken för det verkliga resultatet, en sammanslagning av två svarta hål med 30 solmassa. Det var helt enkelt häpnadsväckande och fick oss att fråga: "Hur vanliga är svarta hål av denna storlek och hur ofta smälter de samman?"
Traditionellt har astronomer varit av den uppfattningen att svarta hål vanligtvis skulle vara ungefär samma massa som vår sol. Som sådan försökte de tolka de flera gravitationsvågdetekteringar som gjorts av LIGO i termer av vad som är känt om galaxbildning. Utöver detta försökte de också skapa en ram för att förutsäga framtida sammanslagningar av svart hål.
Från detta drog de slutsatsen att Milky Way Galaxy skulle vara hem för upp till 100 miljoner svarta hål, varav 10 miljoner skulle ha en uppskattad massa på cirka 30 solmassor - dvs liknande de som slogs samman och skapade de första gravitationsvågorna som upptäcktes av LIGO 2016. Samtidigt skulle dvärggalaxier - som Draco Dwarf, som kretsar kring ett avstånd av cirka 250 000 ly från centrum av vår galax - vara värd cirka 100 svarta hål.
De bestämde vidare att idag är de flesta lågmassiga svarta hål (~ 10 solmassor) bosatta inom galaxer av 1 biljon solmassor (massiva galaxer) medan massiva svarta hål (~ 50 solmassor) bor inom galaxer som har cirka 10 miljarder solmassor (dvs dvärggalaxier). Efter att ha övervägt förhållandet mellan galaxmassa och stjärnmetallicitet, tolkade de en galaxs svarta hålantal som en funktion av dess stjärnmassa.
Dessutom försökte de också avgöra hur ofta svarta hål förekommer i par, hur ofta de smälter samman och hur lång tid det skulle ta. Deras analys indikerade att endast en liten del av svarta hål skulle behöva involveras i sammanslagningar för att tillgodose vad LIGO observerade. Det erbjöd också förutsägelser som visade hur ännu större svarta hål kunde slås samman inom det kommande decenniet.
Som Manoj Kaplinghat, även UCI-professor i fysik och astronomi och den andra medförfattaren på studien, förklarade:
”Vi visar att bara 0,1 till 1 procent av de svarta hålen som bildats måste smälta samman för att förklara vad LIGO såg. Naturligtvis måste de svarta hålen komma tillräckligt nära för att smälta samman på rimlig tid, vilket är ett öppet problem ... Om de nuvarande idéerna om stellarutvecklingen är rätt, tyder våra beräkningar på att sammanslagningar av ens svarta hål med 50 solmassa kommer att upptäckas om några år. ”
Med andra ord, vår galax kunde vrimlas av svarta hål, och sammanslagningar kan ske regelbundet (relativt till kosmologiska tidsskalor). Som sådan kan vi förvänta oss att många fler tyngdkraftsdetekteringar kommer att vara möjliga under de kommande åren. Detta borde inte bli någon överraskning, eftersom LIGO har gjort ytterligare två upptäckter sedan vintern 2016.
Med många fler som förväntas komma kommer astronomer att ha många möjligheter att studera sammanslagningar av svarta hål, för att inte tala om fysiken som driver dem!
