För miljarder år sedan slogs två svarta hål mycket mer massiva än solen - 31 och 19 solmassor vardera - samman i en avlägsen galax. Den 4 januari 2017 nådde dessa gravitationsvågor, som färdades genom universum med ljusets hastighet, äntligen jorden, där de klämde och sträckte vår planet i flera atomer. Detta räckte för två LIGO-detektorer i Washington och Louisiana för att plocka upp signalen och rekonstruera exakt vad som hände. För tredje gången i historien har vi observerat gravitationella vågor direkt. Under tiden letade teleskop och observatorier runt om i världen, inklusive de i jordens bana, efter en helt annan signal: något som ljus eller elektromagnetisk strålning som dessa sammanslagna svarta hål skulle kunna avge.
En illustration av två sammanslagna svarta hål med jämförbar massa som de som ses i LIGO. Man förväntar sig att en sådan sammansmältning skulle ge mycket små elektromagnetiska signaler, men närvaron av en mycket uppvärmd substans nära sådana föremål kan förändra detta.
Enligt våra bästa fysikmodeller bör sammanslagning av svarta hål inte avge något ljus alls. En massiv singularitet omgiven av en händelsehorisont kan avge gravitationella vågor på grund av den förändrade krumningen i rymdtid, eftersom den kretsar kring en annan gigantisk massa, och allmän relativitet innebär detta. Eftersom gravitationenergi i form av strålning måste komma någonstans kommer det sista svarta hålet efter sammanslagningen att vara flera solmassor lättare än summan av källorna som genererade den. Detta är helt i linje med två andra sammanslagningar som LIGO observerade: cirka 5% av de ursprungliga massorna omvandlades till ren energi i form av gravitationsstrålning.
Massorna av kända binära svarta hålsystem, inklusive tre bekräftade LIGO-fusioner och en fusionskandidat
Men om det finns något utanför dessa svarta hål, till exempel en ackretionsskiva, brandvägg, hårt skal, diffust moln eller något annat, kan accelerationen och uppvärmningen av detta material skapa elektromagnetisk strålning som färdas tillsammans med våra gravitationella vågor. Efter den första LIGO-detekteringen uppgav Fermi Gamma-ray Burst Monitor att den hade upptäckt en explosion av hög energi som sammanföll med tiden för gravitationsvågsignalen. Tyvärr misslyckades ESA-satelliten inte bara med att bekräfta Fermis resultat, men forskarna som arbetade där upptäckte en brist i Fermis analys av deras data, vilket helt diskrediterade deras resultat.
Sammanfogning av två svarta hål genom konstnärens ögon med en ackretionsskiva. Densiteten och energin i materien borde inte vara tillräckligt här för att skapa gammastrålar eller röntgenstrålar, men vem vet vad naturen kan.
Den andra sammanslagningen visade inte sådana antydningar om elektromagnetiska signaler, men detta är inte förvånande: svarta hål var betydligt lättare i massa, så varje signal de genererade skulle vara motsvarande lägre i storlek. Men den tredje fusionen var också stor i massa, mer jämförbar med den första än med den andra. Även om Fermi sa ingenting, och ESA: s Integral-satellit också förblev tyst, fanns det två tips om att elektromagnetisk strålning kan ha inträffat. Den italienska rymdorganisationens AGILE-satellit spelade in en svag, kortvarig bloss som inträffade en halv sekund före sammanslagningen vid LIGO, och röntgen-, radio- och optiska observationer kombinerades identifierades konstigt.
Om något av detta kunde tillskrivas sammanslagningen av svarta hål, skulle det vara helt otroligt. Vi vet så lite om svarta hål i allmänhet, vad kan vi säga om att slå samman sådana. Vi har aldrig sett dem med egna ögon, även om Event Horizon Telescope kommer att ta en bild före slutet av detta år. Vi fick reda på just detta år att svarta hål inte har hårda skal runt händelsehorisonten, men detta faktum var också statistiskt. Så när det gäller möjligheten att svarta hål kan ha elektromagnetiska läckor är det värt att hålla ett öppet sinne.
Kampanjvideo:
Avlägsna, massiva kvasarer uppvisar supermassiva svarta hål i sina kärnor, och deras elektromagnetiska läckage är lätta att upptäcka. Men vi har ännu inte sett att svarta hål sammanfogas (särskilt de med låga massor, mindre än 100 solar) avger något som kan upptäckas.
Tyvärr ger ingen av dessa observationer nödvändiga data för att leda oss till slutsatsen att sammanslagning av svarta hål kan avge något i det elektromagnetiska spektrumet. I allmänhet är det ganska svårt att få övertygande bevis, eftersom även de dubbla LIGO-detektorerna, som arbetar med otrolig noggrannhet, inte kan hitta platsen för gravitationsvågsignalen med mer noggrannhet än upp till en konstellation eller tre. Eftersom gravitationsvågor och elektromagnetiska vågor färdas med ljusets hastighet är det extremt osannolikt att det kommer att finnas en fördröjning på nästan 24 timmar mellan de två. Dessutom inträffar den övergående händelsen på ett avstånd som inte tillåter att den associeras med en gravitationsvåg.
Observationsområdet för AGILE-observatoriet vid tidpunkten för LIGO-observationer med möjlig placering av gravitationskällan i de lila konturerna
AGILEs observationer kan potentiellt leda till att något intressant händer. I det ögonblick som gravitationsvåghändelsen upptäcktes, riktades AGILE mot ett rymdområde som innehåller 36% av LIGO-studieområdet. Enligt forskare uppträdde "överskottet av detekterade röntgenfotoner" någonstans över den vanliga genomsnittliga bakgrunden. Men när man tittar på data är den första frågan som forskare ställer: Hur övertygande är de?
Sekunder före LIGO-fusionen drog de ut en intressant händelse, märkt E2 i de tre diagrammen ovan. Efter en grundlig analys där de korrelerade vad de ser och vilken typ av slumpmässiga fluktuationer som kan förekomma naturligt, drog de slutsatsen att något intressant hade hänt med 99,9% sannolikhet. Med andra ord såg de en riktig signal, inte en slumpmässig variation. Det finns många objekt i universum som avger gamma och röntgen som utgör bakgrunden. Men kan händelsen kopplas till gravitationsfusionen av två svarta hål?
Datorsimuleringar av två sammanslagna svarta hål med produktion av gravitationsvågor. Frågan är, följer denna signal någon elektromagnetisk burst?
Om så är fallet, varför såg inte de andra satelliterna det? För närvarande kan vi dra slutsatsen att om svarta hål hade en elektromagnetisk del, så:
- extremt svag
- föddes bara vid låga energier
- har ingen ljus optisk komponent, radio eller gammastrålning
- inträffar inte samtidigt med frisättningen av gravitationsvågor.
Binära svarta hål med 30 solmassor, först registrerade av LIGO, är svåra att bilda utan direkt kollaps. När de redan har observerats två gånger blev det klart att sådana par svarta hål är ganska vanliga. Har de elektromagnetisk strålning?
Dessutom passar allt vi ser perfekt med det faktum att sammanslagning av svarta hål inte har en elektromagnetisk del. Men kan det bero på att vi inte har tillräckligt med data? Om vi bygger fler gravitationsvågdetektorer, ser fler sammanslagningar av svarta hål med hög massa, bättre lokaliserar dem, ser mer övergående händelser - vi kan ta reda på svaret på den frågan. Om uppdrag och observatorier som bör samla in sådana uppgifter byggs, beställs och sätts i omlopp, om det behövs, kommer vi om 15 år att få vetenskaplig bekräftelse.
ILYA KHEL
