En skev sammanslagning av två svarta hål kan ha en udda ursprungshistoria, enligt en ny studie av forskare vid MIT och på andra håll.

Sammanslagningen upptäcktes först den 12 april, 2019 som en gravitationsvåg som anlände till detektorerna för både LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), och dess italienska motsvarighet, Jungfrun. Forskare märkte signalen som GW190412 och fastställde att den härrörde från en sammandrabbning mellan två David-och-Goliat svarta hål, den ena tre gånger mer massiv än den andra. Signalen markerade den första upptäckten av en sammanslagning mellan två svarta hål av mycket olika storlekar.

Nu den nya studien, publiceras idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev, visar att denna skeva fusion kan ha uppstått genom en helt annan process jämfört med hur de flesta fusioner, eller binärer, tros bildas.

Det är troligt att det mer massiva av de två svarta hålen i sig var en produkt av en tidigare sammanslagning mellan två överordnade svarta hål. Goliaten som snurrade ut ur den första kollisionen kan sedan ha rikoscherat runt ett tätt packat "kärnkluster" innan det smälte samman med det andra, mindre svart hål – en häftig händelse som skickade gravitationsvågor som skvalpade över rymden.

GW190412 kan då vara en andra generation, eller "hierarkisk" sammanslagning, skiljer sig från andra första generationens sammanslagningar som LIGO och Virgo hittills har upptäckt.

"Den här händelsen är en udda kula som universum har kastat på oss - det var något vi inte såg komma, " säger studiemedförfattare Salvatore Vitale, en biträdande professor i fysik vid MIT och en LIGO-medlem. "Men ingenting händer bara en gång i universum. Och något sånt här, även om det är sällsynt, vi ses igen, och vi kommer att kunna säga mer om universum."

Vitales medförfattare är Davide Gerosa från University of Birmingham och Emanuele Berti från Johns Hopkins University.

En kamp att förklara

Det finns två huvudsakliga sätt på vilka sammanslagningar av svarta hål tros bildas. Den första är känd som en vanlig kuvertprocess, där två närliggande stjärnor, efter miljarder år, explodera för att bilda två angränsande svarta hål som så småningom delar ett gemensamt hölje, eller gasskiva. Efter ytterligare några miljarder år, de svarta hålen går in i spiral och smälter samman.

"Du kan tänka på det här som att ett par är tillsammans hela livet, Vitale säger. "Denna process misstänks ske i skivan av galaxer som vår egen."

Den andra vanliga vägen genom vilken sammanslagningar av svarta hål bildas är via dynamiska interaktioner. Tänka, i stället för en monogam miljö, ett galaktiskt rave, där tusentals svarta hål trängs in i en liten, tät region av universum. När två svarta hål börjar samverka, en tredje kan slå isär paret i en dynamisk interaktion som kan upprepas många gånger om, innan ett par svarta hål slutligen smälter samman.

I både den gemensamma envelopprocessen och det dynamiska interaktionsscenariot, de sammanslagna svarta hålen ska ha ungefär samma massa, till skillnad från det sneda massförhållandet för GW190412. De ska också ha relativt ingen snurr, medan GW190412 har ett förvånansvärt högt spinn.

"Slutsatsen är, båda dessa scenarier, som folk traditionellt tror är idealiska plantskolor för svarta håls binärer i universum, kämpar för att förklara massförhållandet och spinn av denna händelse, " säger Vitale.

Spårare för svarta hål

I deras nya tidning, forskarna använde två modeller för att visa att det är mycket osannolikt att GW190412 kom från antingen en gemensam envelopprocess eller en dynamisk interaktion.

De modellerade först utvecklingen av en typisk galax med hjälp av STAR TRACK, en simulering som spårar galaxer över miljarder år, börjar med sammansmältningen av gas och fortsätter till hur stjärnor tar form och exploderar, och sedan kollapsa i svarta hål som så småningom smälter samman. Den andra modellen simulerar slumpmässigt, dynamiska möten i klothopar – täta koncentrationer av stjärnor runt de flesta galaxer.

Teamet körde båda simuleringarna flera gånger, ställa in parametrarna och studera egenskaperna hos de svarta hålssammanslagningarna som uppstod. För de sammanslagningar som bildades genom en gemensam kuvertprocess, en sammanslagning som GW190412 var mycket sällsynt, dyker upp först efter några miljoner händelser. Dynamiska interaktioner var något mer sannolikt att producera en sådan händelse, efter några tusen sammanslagningar.

Dock, GW190412 upptäcktes av LIGO och Jungfrun efter endast 50 andra upptäckter, vilket tyder på att det troligen uppstod genom någon annan process.

"Oavsett vad vi gör, vi kan inte enkelt producera denna händelse i dessa vanligare formationskanaler, " säger Vitale.

Processen med hierarkisk sammanslagning kan bättre förklara GW190412:s skeva massa och dess höga spinn. Om ett svart hål var en produkt av ett tidigare par av två överordnade svarta hål med liknande massa, det skulle i sig vara mer massivt än någon av föräldrarna, och senare avsevärt överskugga sin första generations partner, skapa ett högt massförhållande i den slutliga sammanslagningen.

En hierarkisk process skulle också kunna generera en sammanslagning med ett högt snurr:De överordnade svarta hålen, i deras kaotiska sammansmältning, skulle snurra upp det resulterande svarta hålet, som sedan skulle föra denna snurr in i sin egen ultimata kollision.

"Du räknar, och det visar sig att det överblivna svarta hålet skulle ha ett snurr som är mycket nära det totala snurrandet av denna sammanslagning, " förklarar Vitale.

Ingen utväg

Om GW190412 verkligen bildades genom hierarkisk sammanslagning, Vitale säger att händelsen också kunde kasta ljus över miljön där den bildades. Teamet fann att om det största av de två svarta hålen bildades från en tidigare kollision, den kollisionen genererade sannolikt en enorm mängd energi som inte bara snurrade ut ett nytt svart hål, men sparkade den över en bit.

"Om det sparkas för hårt, det skulle bara lämna klustret och gå in i det tomma interstellära mediet, och inte kunna gå samman igen, " säger Vitale.

Om objektet kunde slås samman igen (i det här fallet, att producera GW190412), det skulle betyda att sparken som den fick inte räckte för att undkomma stjärnhopen där den bildades. Om GW190412 verkligen är en produkt av hierarkisk sammanslagning, teamet beräknade att det skulle ha inträffat i en miljö med en utrymningshastighet högre än 150 kilometer per sekund. För perspektiv, flykthastigheten för de flesta klothopar är cirka 50 kilometer per sekund.

Detta betyder att vilken miljö GW190412 än uppstod från hade en enorm gravitationskraft, och teamet tror att en sådan miljö kan ha varit antingen gasskivan runt ett supermassivt svart hål, eller ett "kärnkluster" - en otroligt tät region av universum, packad med tiotals miljoner stjärnor.

"Denna sammanslagning måste ha kommit från en ovanlig plats, " Vitale säger. "När LIGO och Jungfrun fortsätter att göra nya upptäckter, vi kan använda dessa upptäckter för att lära oss nya saker om universum."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.