Ved å skanne gjennom en katalog med over 2700 energiske dypromeksplosjoner fanget av NASAs Compton Gamma-Ray Observatory, var James Paynters oppgave å finne en nål i en nålestabel. Doktorgradsstudenten, fra University of Melbourne, ønsket å finne en av eksplosjonene, et gammastråleutbrudd, som hadde blitt “linset” – dens bane avbrutt av et kolossalt kosmisk objekt på vei til jorden.
Ved slutten av masterstudiet hadde han redusert kandidatene til bare en håndfull, og etter å ha laget noen sofistikerte analyseteknikker, satt han igjen med bare én.
Den kandidaten, kjent som GRB 950830, er beskrevet i en ny studie, publisert i tidsskriftet Nature Astronomy mandagog det enorme kosmiske objektet det måtte slange seg rundt for å komme seg til Jorden er et “svart hull med middels masse”, en sjelden rase av de kosmiske gravitasjonssynkene som astronomene så vidt har begynt å forstå.
Gulllokk
I verdensrommet er det to velkjente sorte hull: stjernesort hull, dannet når en enorm stjerne eksploderer og deretter kollapser i seg selv, og supermassive sorte hull, som sitter i hjertet av galakser. De supermassive sorte hull i hjertet av Messier 87-galaksen var motivet for det aller første svarte hull-bildetsnappet i 2019.
Stellar sorte hull når bare masse rundt 10 ganger så massiv som solen. Supermassive sorte hull kan være milliarder av ganger mer massive. Regionen mellom dem? “Mellom disse to grensene ser vi ingenting,” sier Paynter.
Astrofysikere teoretiserer – og har begynt å oppdage – sorte hull i dette såkalte «massegapet», «Goldilocks»-sonen der mellommasse sorte hull, eller IMBH, antas å eksistere. Disse sorte hullene varierer i størrelse fra 100 til 100 000 ganger solens masse og er en manglende kobling mellom de små sorte hullene som forsøpler kosmos og de supermassive i sentrum av galakser.
Svært få mellomstore sorte hull er definitivt oppdaget. Et annet, mindre svart hull ble oppdaget i september 2020: Astronomer som studerer gravitasjonsbølger annonsert de hadde funnet en IMBH med en masse rundt 150 ganger solensskapt ved sammenslåing av to mindre sorte hull.
Men den som ble oppdaget av Paynter og medforfatterne Rachel Webster, en astrofysiker ved University of Melbourne, og Eric Thrane, en astrofysiker ved Monash University, er monstrøs i sammenligning.
“Vår IMBH er mye større,” sier Paynter. “Hvis det er dannet fra stjernesort hull, har det vært gjennom mange, mange generasjoner av fusjoner for å nå sin observerte masse.”
En lignende kandidat med en vekt på rundt 50 000 soler, 3XMM J215022.4−055108, var publisert i Astrophysical Journal Letters i mars 2020, men det ble funnet da den rev fra hverandre en nærliggende stjerne. Metoden Paynter og kollegene brukte drar fordel av gravitasjonslinser.
Tyngdekraftens linse
GRB 950830 er et kort gammastråleutbrudd fra lang, lang vei. Forskerne er ikke sikre på nøyaktig hvor den kom fra, men den er et sted dypt inne i den mørke skogen i kosmos. Utbruddet, mistenker de, ble opprettet da to nøytronstjerner knuste hverandre og frigjorde ekstreme mengder energi.
Paynter var på utkikk etter en “gravitasjonslinser” gammastråleutbrudd fra BATSE-instrumentet ved NASAs Compton Gamma-Ray Observatory, som fanget rundt 2700 gammastråleping mellom 1990 og 1999. “Vi ønsket den beste sjansen til å finne en linse, så BATSE var den vi valgte,” sier Paynter.
GRB 950830 er den eneste teamet fant som var objektiv.
“Min opprinnelige begeistring var å ha funnet den første gravitasjonslinsede GRB, siden til tross for 30 år med søk, har ingen statistisk robuste kandidater blitt funnet,” bemerker Paynter. “Vi utviklet en sofistikert analyseprogramvare som i stor grad forbedrer tidligere linsedeteksjonsmetoder, som gjorde at vi også klarte å avvise kandidater.”
Etter litt mer analyse materialiserte en enda mer spennende oppdagelse. Den energiske eksplosjonen hadde skjedd bak et mellommasse sort hull.
Den utrolige gravitasjonskraften til IMBH bøyde alle former for lys og elektromagnetisk stråling rundt den. Da gammastråleutbruddet eksploderte, reiste det over universet mot oss. Men da det løp inn i IMBH, ble signalet delt, et fenomen kjent som gravitasjonslinser.
Objektivet har et avslørende tegn, et ekko av et signal, fordi noe av strålingen fra gammastråleutbruddet bruker lengre tid på å nå detektoren på observatoriet når den bøyer seg rundt IMBH. Det er en veldig subtil forskjell. “Til tross for at vi har reist mange milliarder lysår for å nå oss, er denne forskjellen i ankomsttid bare 400 ms for vårt tilfelle,” forklarer Paynter.
Det er ikke en sikker påvisning av en IMBH, men det er en annen god kandidat. Det hjelper også astronomer med å anslå hvor mange av disse IMBH-ene som kan lure i det store rommet. Beregningene deres antyder at de kan være rundt 46 000 i nærheten av Melkeveien, men Paynter sier at det er mye usikkerhet i målingen. Å søke etter flere linsekandidater vil bidra til å redusere usikkerheten.
“Ideelt sett vil vi analysere andre kataloger også i fremtiden,” sier Paynter.
Kanskje, foreslår Thrane, kan IMBH-ene være eldgamle relikvier fra det tidlige universet fra en tid før stjerner og galakser ble dannet. Hvis det er tilfelle, kan de være «frøene til de supermassive sorte hullene som lever i galaksenes hjerter i dag».
Følg CNETs romkalender for 2021 for å holde deg oppdatert med alle de siste romnyhetene i år. Du kan til og med legge den til i din egen Google-kalender.