Nya bevis: Svarta hål finns också i mellanstorlek

Lätta och supertunga svarta hål är (ganska) välkända, men de medeltunga svarta hålen har i decennier gäckat astronomerna. Nu visar nya observationer att ett medeltungt svart hål kan finnas vid en galax i stjärnbilden Vattumannen – detta är det starkaste beviset hittills för att de svarta hålens motsvarighet till mellanmjölk verkligen finns.

Ett forskarlag lett av Dacheng Lin vid universitetet i New Hampshire har studerat ett utbrott av röntgenstrålning som började 2006 vid denna galax. Sättet som röntgenstrålningen avklingat på antyder att källan kan vara en stjärna som kommit för nära ett medeltungt svart hål och slitits sönder.

Ett svart hål är så tungt och kompakt att inte ens ljus slipper ut från det. Svarta hål syns alltså inte, men deras inverkan på omgivningen kan göra det möjligt för oss att hitta dem.

De svarta hål som bildas i supernovaexplosioner kallas stellära eller lätta svarta hål och brukar ha en massa på runt 10 solmassor. Om ett sådant svart hål har en kompanjonsstjärna kan materia från denna kompanjon dras loss av det svarta hålet och hettas upp så att bl.a. röntgenstrålning sänds ut. Drygt ett femtiotal sådana röntgenkällor (med svarta hål) är kända i vår galax. Observationerna av gravitationsvågor med bland annat LIGO har visat på svarta hål som smälter samman i någon avlägsen galax och får rumtiden att krusas. Dessa svarta hål har massor på något tiotal solmassor.

De allra tyngsta svarta hålen, med massor på miljoner eller miljarder solmassor, kallas supertunga svarta hål (ibland används ”supermassiva svarta hål”). Dessa finns i mitten av galaxer, bland annat här hemma i Vintergatan. I april 2019 publicerade radioastronomer en bild på skuggan av det supertunga svarta hålet i vår granngalax Messier 87. Om materia faller in mot ett supertungt svart hål kan i gynnsamma fall så mycket energi utvinnas att en aktiv galaxkärna (AGN) tänds. Kvasarerna, de mest ljusstarka AGN, går att observera över hela det synliga universum och vi har katalogiserat ungefär två miljoner sådana. 

Hur blev de supertunga svarta hålen så stora?

Svarta hål är alltså vanliga, men hur överbryggs glappet i massa mellan ett svart hål på 10 solmassor och ett på miljarder solmassor? För att förstå hur de svarta hålen utvecklas borde medeltunga svarta hål enligt forskarna vara viktiga pusselbitar, som vi nästan helt saknat. Några dussin kandidater har föreslagits i forskningslitteraturen. De amerikanska astronomerna Jenny Greene, Jay Strader och Luis Ho sammanfattade nyligen kunskapsläget i en översiktsartikel: Allt pekar på att svarta hål med massor på några hundra tusen solmassor kan finnas i vissa mindre galaxer.

En teori om hur de medeltunga svarta hålen kommit till är att de fötts som stellära svarta hål, när superjättestjärnor på över 100 solmassor exploderat som supernovor, tidigt i universums historia. Dessa svarta hål har sedan haft tid på sig att ”äta upp sig” och öka i massa för att bli medeltunga, och i vissa fall supertunga, svarta hål.

En annan modell antar att kollapsande gasmoln tidigt i universums historia (ca 1 miljard år efter big bang) direkt kan ha bildat svarta hål på upp mot en miljon solmassor, utan att spilla tid på att bilda några stjärnor först. Det har också föreslagits att den trånga, stjärnrika miljön i vissa stjärnhopar kan vara gynnsam för att bilda medeltunga svarta hål.

En röntgenglimt från Vattumannen

Just en stjärnhop, utanför en galax 750 miljoner ljusår bort i Vattumannen, har hamnat i blickfånget. Ett utbrott av röntgenstrålning därifrån registrerades 2006. När utbrottet var som kraftigast strålade det ut ca 3 miljarder gånger mer energi varje sekund än vad solen gör. Sättet som strålningens styrka avtog på under det följande decenniet antydde att källan var en tidvattensönderslitning av en stjärna.

I en artikel från 2018 tolkar Dacheng Lin och hans kollegor händelsen som att en stjärna kommit för nära ett medeltungt svart hål. Tidvattenkrafter har då slitit sönder stjärnan och utbrottet av röntgenstrålning är ett tecken på detta. I artikeln uppskattas att det svarta hålet har en massa på, lågt räknat, ca 50 000 solmassor.

Det fanns dock en viss möjlighet att en svalnande neutronstjärna i Vintergatan kunde synas i förgrunden och förklara observationerna man gjort. Forskarlaget fortsatte därför att bevaka grannskapet runt galaxen i Vattumannen med två rymdteleskop: Hubble-teleskopet och röntgenteleskopet XMM-Newton. Data från XMM-Newton visade att strålningen från utbrottet fortsatte att falna mellan augusti 2016 och maj 2018, på det sätt som en tidvattensönderslitning orsakar.

I en 36 minuter lång exponering i synligt ljus med Hubbleteleskopet (se bild ovan) gick det nätt och jämnt att upplösa det objekt som röntgenstrålningen såg ut att komma från. Forskarna tolkar detta som att man ser en stjärnhop med en diameter på knappt 200 ljusår. Det bör alltså vara den stjärnhop där det medeltunga svart hålet ska ha slitit sönder en stjärna.

Samtidigt i Stora björnen 

Andra forskare är också ute efter de medeltunga svarta hålen. En färsk studie, ledd av Jun Yang vid Onsala rymdobservatorium, har uppmärksammat en dvärggalax knappt 700 miljoner ljusår bort i Stora björnen. Observationer i synligt ljus och röntgen har antytt att ett medeltungt svart hål kan vara i färd med att glufsa i sig materia i denna galax.

Källan pekades ut 2016 av astronomen Vivienne Baldassare och kollegor (i en studie av många galaxer med möjliga medeltunga svarta hål) med en uppskattad massa på i storleksordningen 100 000 solmassor. Genom att 2017 samköra radioteleskop över hela Europa kunde Jun Yang och vänner med interferometri-teknik göra observationer med mycket hög upplösning av regionen där det medeltunga svart hålet tros befinna sig.

Radioobservationerna visar, enligt den nya artikeln, spår av jetstrålar, vilket tyder på att där finns ett medeltungt svart hål som suger åt sig materia.

Svarta hål i lagom storlek är alltså inte längre en kunskapslucka – de tycks vara på riktigt och lär ha lagom mycket att berätta om sina ursprung.