Jättikokoinen musta aukko löytyi Linnunradasta

Kiinalaisten tutkijoiden^[1] johtama tutkimusryhmä on onnistunut löytämään musta aukon, jolla on massaa yllättävän paljon. Musta aukko sai nimekseen LB-1. Musta aukon löytyminen ei sinällään ole mikään harvinaisuus, sillä tähden kokoisia tunnetaan Linnunradasta parisen kymmentä. Kaikkiaan Linnunradan mustien aukkojen määräksi arvioidaan noin 100 miljoonaa.

Kahden musta aukon välinen törmäys. Havainnekuva.

Musta aukko sijaitsee Linnunradassa Kaksosten tähdistössä noin 13 800 valovuoden etäisyydellä. Massaa mustalla aukolla on noin 68 M_☉ (Auringon massaa) ja se on osa binäärijärjestelmää. Mustaa aukkoa kiertää noin 8 M_☉ tähti, jonka kiertoaika on noin 78,9 vuorokautta. Musta aukon massa on yllättävän suuri, sillä tutkijat ovat pitäneen tähden ytimen luhistumisessa mustaksi aukoksi ylärajana noin 20 M_☉.

Tähden massaisten mustien aukkojen etsiminen ja löytäminen on vaikeaa ja vaatii aikaa. Jos ja kun musta aukko ei säteile merkittävästi mitään sähkömagneettista säteilyä, niin musta aukon löytäminen on lähes mahdoton tehtävä. Ainoaksi mahdollisuudeksi jää tapaukset, joissa musta aukko on binäärijärjestelmän osa. Silloin näkyvän tähden liikkeestä voidaan päätellä musta aukon olemassaolo. Näin tässäkin tapauksessa!

Ensimmäisten havaintojen jälkeen lisähavaintoja tehtiin Kanarian saarilla (La Palma) sijaitsevasta Grand Telescopio Canarias -observatoriosta ja Keck 1 -teleskoopilla (Yhdysvallat), jolloin saatiin määriteltyä musta aukon massa suhteellisen tarkasti.

Kuinka tällainen järjestelmä on voinut syntyä? Yksikään Linnunradan tähti ei ole niin massiivinen, että yksinään synnyttäisi näin massiivisen mustan aukon. Tutkijat ovatkin kehittäneen ajatuksen, että kyse on kahden pienemmän musta aukon törmäyksessä syntynyt musta aukko. Tätä ajatusta tukee LOGO observatorioiden tekemä ensimmäinen havainto GW150914, jossa törmäyksen tuloksena syntyi 62 M_☉ massainen musta aukko. GW150914 ei sijaitse Linnunradassa vaan noin 1,4 miljardin valovuoden etäisyydellä eteläisellä tähtitaivaalla (jossakin 90 % todennäköisyydellä 610 neliöasteen alueella) lähellä Magellanin pilvien suuntaa.

Ongelman ajatukselle kuitenkin tuottaa kiertolaisena oleva tähti. Sen rata näyttää olevan hyvin pyöreä musta aukon kiertoradalla. Jos tähti olisi kaapattu musta aukon syntymisen jälkeen, sen rata olisi hyvin soikea. Vaikka soikea rata voi aikaa myöten muuttua pyöreämmäksi, tässä tapauksessa aikaa tarvittaisiin paljon enemmän, kuin mitä tähdellä on aikaa pääsarjassa. Tähti olisi ehtinyt räjähtää supernovana ennen kuin rata olisi pyöreä.

Ainoa toistaiseksi vähemmän ongelmia tuottava selitys on, että massiivinen musta aukko on syntynyt kahden pienemmän musta aukon törmäyksessä. Pienemmät mustat aukot muodostuessaan (supernovin räjähdyksissä) eivät ole vaikuttaneet kolmanteen tähteen, vaan se on jatkanut radallaan lähes koskemattomana.


Huomautukset

[1] Nature 27.11.2019 Jifeng Liu & al.: A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements. (Maksumuurin takana).

Lisää gravitaatioaalltoja

GW170104 yhdisti noin 32 ja noin 19 auringomassaiset
mustat aukot noin 49 auringonmaissaiseksi mustaksi
aukoksi. Näin ollen järjestelmästä poistui energiaa
noin 2 auringonmassan verran.
Kuva Kuva LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State
(Aurore Simonnet).

Gravitaatioaaltoja havaitseva LIGO ja Virgo yhteistyöverkosto ilmoitti havainneensa 4. tammikuuta 2017 kello 10.11.58,5 UTC , kello 12.11.58,6 Suomen aikaa kolmannen kerran tieteellisesti merkitseviä gravitaatioaaltoja^[1]. Havainnosta ilmoitettiin kesäkuun 1. päivänä. Havainto sai tunnuksekseen GW170104.

Vuonna 2015 tehtyjen havaintojen jälkeen LIGOn observatorioille tehtiin huoltotöitä, joilla saatiin lisäherkkyyttä havaintolaitteisiin. Huoltojen jälkeen observatoriota otettiin uudelleen käyttää marraskuun 30. päivänä viime vuonna (2016). Reilun kuukauden jälkeen tuli siis seuraava osuma.

Tällä kertaa kyseessä oli 31,2 ja 19,4 auringonmassaisten mustien aukkojen yhteensulautuminen. Sulautumisessa syntyi 48,7 auringonmassainen musta aukko, jonka etäisyys on yli 3 miljardia valovuotta. Aikaisemmat havainnot tehtiin 1,3 ja 1,4 miljardina valovuoden etäisyyksiltä.

Tällä kertaa havainto paitsi, että oli paljon kaukaisemmasta kohteesta, osoittautui myös hieman aikaisemmista poikkeavaksi. Yhteen sulautuneet mustat aukot olivat pyöriviä mutta niiden pyörimisakselit eivät olleet samansuuntaisia (kuten aikaisemmissa tapauksissa) keskenään eivätkä pyörimissuunnat olleet samansuuntaisia kiertoliikkeen kanssa. Aivan yksityiskohtaisia tietoja pyörimisakselien suunnista ja pyörimissuunnista kiertoliikkeeseen nähden ei pystytty vielä havaitsemaan. Tällaisten tietojen esiin saantiin tarvitaan vielä herkempiä laitteita ja useampi kuin kaksi observatoriota.

LIGO on mahdollistanut uuden mustien aukkojen
massaluokan löytymisen, joita ei röntgenhavainnoilla ole
ollut mahdollista löytää.
Kuva LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet).

Kaksois mustia aukkoja voi syntyä kahdella tapaa: ne voivat olla ennen mustiksi aukoiksi päätymistään tavallisia tähtiä, joista kumpikin vuorollaan on tullut musta aukko supernovaräjähdyksen seurauksena.  Tällaisessa tapauksessa mustien pyörimisakselit ja suunnat ovat kutakuinkin yhteneviä.

Toinen tapa on, että mustat aukot ovat joutuneet toistensa läheisyyteen tähtijoukoissa, joiden ytimissä tähtitiheys on hyvin suuri. Riittävän lähekkäin joutuneet mustat aukot ovat siten jääneet toistensa kiertoradoille, joten kiertosuunta ja pyörimisakselien suunnat voivat olla mitä vain. Uusin havainto näyttäisi tukevan tähtijoukkoselitystä kahden mustan aukon muodostumisessa, joskaan se ei kuitenkaan sulje pois kaksoistähtiparin muuttumista toisiaan kiertäviksi mustiksi aukoiksi.

Toinenkin merkittävä sivuhavainto liittyy tämänkertaiseen gravitaatioaaltohavaintoon. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaalloissa ei esiinny dispersiota (vastaisi valoaaltojen kulkureitin muuttumista esimerkiksi prismassa ja valon hajoamista eri väreiksi kuten sateenkaaressa). Jos gravitaatioaalloissa dispersiota esiintyisi, niin yli 3 miljardin valovuoden etäisyydeltä tulevissa gravitaatioaalloissa dispersio pitäisi kyllä näkyä. Tällaista ei kuitenkaan havainnoista löytynyt.

Huomautukset

[1] Gravitaatioaaltoja on nyt havaittu neljä kertaa: 14.9.2015 kello 9.50.45 UTC, 25.12.2015 kello 3.38.53 UTC, 4.1.2017 kello 10.11.58,5 UTC. Neljäs havainto, tieteellisesti ei-merkitsevä (havainnon luotettavuutta kuvaava sigma-arvo jäi alhaiseksi) 12.10.2015.

Lisää gravitaatioaalloista Avaruusmagasiinissa

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/06/uusi-havainto-gravitaatioaalloista.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/02/gravitaatiotahtitieteen-synty.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/07/kirjauutuus-gravitaatioaaltojen-jaljilla.html

Uusi havainto gravitaatioaalloista

Tunnettujen mustien aukkojen kokoja.
A-LIGO-havainnot on merkitty sinisellä.
Gravitaatioaaltoja lähettäneet tapahtumat on
merkitty tunnuksella GW (Gravitaniolal Wave)
ja sen perässä oleva numerosarja viittaa havainnon
päivämäärää muodossa vvkkpp. Kuva LIGO.

Advanced LIGO –gravitaatioaalltojen tutkimuslaboratoriossa tehtiin uusi gravitaatioaaltohavainto joulukuun 26. päivän aamuna kello 5.38 Suomen aikaa (25.12.2015 kello 22.38 paikallista aikaa). Aivan samoin kuin viime syyskuussa tehty gravitaatiohavainto, tämäkin aaltokimppu syntyi kahden mustan aukon toisiinsa sulautumisesta.

Sulautuneet mustat aukot olivat 14 ja 8 auringonmassaisia ja niistä syntyi 21 auringonmassainen mustaukko. Jäljelle jäi noin yhden auringonmassainen massaylijäämä, joka poistui järjestelmästä gravitaatioaaltoina. Havainnot kattoivat mustien aukkojen viimeiset 27 kierrosta toistensa ympäri.

Toistaiseksi tutkijat eivät pysty määrittelemään missä kyseinen mustien aukkojen yhdistyminen tapahtui. Ainoastaan sen etäisyys voidaan arvioida suhteellisen tarkasti. Mustat aukot yhdistyivät 1,4 miljardin valovuoden etäisyydellä. Advanced LIGO laboratorion mittauspisteet sijaitsevat Pohjois-Amerikassa, mutta kahden mittauksen perusteella ei tarkkaa paikkaa pystytä määrittämään. Signaalit havaittiin vain 1,1 millisekunnin aikaerolla. Tarkan paikan määrittämiseksi tarvitaan kolmas havaintoasema ja sellainen (Virgo) on valmistumassa remontin jälkeen myöhemmin tänä vuonna Italiaan.

Ensimmäisen gravitaatioaaltojen (GW150914) mahdollinen
sijainti. Kahdella observatoriolla pystytään määrittämään
gravitaatio-aaltojen lähde vain laajalle kehälle. Tarvitaan
vähintään kolmas observatorio, jotta paikka saataisiin
tarkasti määritettyä ja mahdollinen optinen jälki
löydettyä. Kuva LIGO.

Advanced LIGO havaintoasemien tekemän havainnon signaalin löytyminen vei pitempään kuin ensimmäisen havainnon. Tämä johtui heikommasta signaalista, jonka voimakkuus oli heikompi kuin laitteiston normaali kohina. Tästä syystä tutkijat joutuivat kehittelemään uudistettuja signaalin paljastavia tietokonealgoritmeja, joiden avulla laitteiston herkkyyttä voitiin parantaa 15–25 % entisestään. Parannus ei ehkä tunnu kovinkaan merkittävältä, mutta tässä tapauksessa se oli kuitenkin ratkaiseva tekijä.

Joulukuussa tehty havainto oli oikeastaan kolmas, sillä myös lokakuun 12. päivä 2015 tehtiin havainto, mutta sen mittaustulokset eivät olleet tilastollisesti merkittäviä. Alustavasti sen aiheutti noin 23 ja 12 auringonmassaisten mustien aukkojen yhdistyminen. Tähän lokakuun havaintoon viitattiin jo ensimmäisen gravitaatioaaltojen havaitsemisesta kertovien uutisointien yhteydessä.

Katso myös artikkeli Gravitaatiotähtitieeen synty? http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/02/gravitaatiotahtitieteen-synty.html

jossa on selostettu laajasti gravitaatioaaltojen havaitsemista!

Gravitaatioaaltoja pyritään havaitsemaan useilla laser-interferometreillä. Tähänastiset kaksi tai kolme havaintoa on tehty
Yhdysvalloissa olevilla LIGO Hanford ja LIGO Livingston observatorioilla, mutta ensivuonna kaksikko saa mukaan tutkimuksiin Pisan lähelle Italiaan  valmistuvan observatorion. Intia hyväksyi alkuvuodesta samanlaisen observatorion rakentamisen ja Japaniin on rakenteilla KAGRA-observatorio. Kuva LIGO.