Svarta hål är inte stationära i rymden; faktiskt, de kan vara ganska aktiva i sina rörelser. Men eftersom de är helt mörka och inte kan observeras direkt, de är inte lätta att studera. Forskare har äntligen räknat ut den exakta tidpunkten för en komplicerad dans mellan två enorma svarta hål, avslöjar dolda detaljer om de fysiska egenskaperna hos dessa mystiska kosmiska objekt.

OJ 287-galaxen är värd för ett av de största svarta hålen som någonsin hittats, med över 18 miljarder gånger vår sols massa. I kretsloppet av denna behemoth finns ett annat svart hål med cirka 150 miljoner gånger solens massa. Två gånger vart 12:e år, det mindre svarta hålet kraschar genom den enorma gasskivan som omger dess större följeslagare, skapa en ljusblixt som är starkare än en biljon stjärnor – ljusare, även, än hela Vintergatans galax. Ljuset tar 3,5 miljarder år att nå jorden.

Men det mindre svarta hålets bana är avlång, inte cirkulär, och det är oregelbundet:Det skiftar position med varje slinga runt det större svarta hålet och lutar i förhållande till gasskivan. När det mindre svarta hålet kraschar genom skivan, det skapar två expanderande bubblor av het gas som rör sig bort från skivan i motsatta riktningar, och på mindre än 48 timmar verkar systemet fyrdubblas i ljusstyrka.

På grund av den oregelbundna omloppsbanan, det svarta hålet kolliderar med skivan vid olika tidpunkter under varje 12-årig omloppsbana. Ibland uppträder blossarna med så lite som ett års mellanrum; andra tider, så mycket som 10 års mellanrum. Försöken att modellera omloppsbanan och förutsäga när flammorna skulle inträffa tog decennier, men 2010 forskare skapade en modell som kunde förutsäga deras förekomst inom cirka en till tre veckor. De visade att deras modell var korrekt genom att förutsäga uppkomsten av en bloss i december 2015 inom tre veckor.

Sedan, under 2018, en grupp forskare ledda av Lankeswar Dey, en doktorand vid Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, Indien, publicerade ett papper med en ännu mer detaljerad modell som de hävdade skulle kunna förutsäga tidpunkten för framtida flares inom fyra timmar. I en ny studie publicerad i Astrofysiska tidskriftsbrev , dessa vetenskapsmän rapporterar att deras exakta förutsägelse av en flare som inträffade den 31 juli, 2019, bekräftar att modellen är korrekt.

Observationen av den blossen hände nästan inte. Eftersom OJ 287 var på motsatt sida av solen från jorden, utom synhåll för alla teleskop på marken och i jordens omloppsbana, det svarta hålet skulle inte komma tillbaka i sikte av dessa teleskop förrän i början av september, långt efter att blossen hade slocknat. Men systemet var inom synhåll för NASA:s Spitzer Space Telescope, som byrån gick i pension i januari 2020.

Efter 16 års verksamhet, rymdfarkostens omloppsbana hade placerat den 158 miljoner miles (254 miljoner kilometer) från jorden, eller mer än 600 gånger avståndet mellan jorden och månen. Från denna utsiktspunkt, Spitzer kunde observera systemet från 31 juli (samma dag som blossen förväntades dyka upp) till början av september, när OJ 287 skulle bli observerbar för teleskop på jorden.

"När jag först kontrollerade synligheten av OJ 287, Jag blev chockad när jag upptäckte att det blev synligt för Spitzer precis samma dag som nästa bloss förutspåddes inträffa, sa Seppo Laine, en associerad stabsforskare vid Caltech/IPAC i Pasadena, Kalifornien, som övervakade Spitzers observationer av systemet. "Det var oerhört tur att vi skulle kunna fånga toppen av denna bloss med Spitzer, eftersom inga andra människotillverkade instrument var kapabla att uppnå denna bedrift vid den specifika tidpunkten."

Ripples i rymden

Forskare modellerar regelbundet banorna för små föremål i vårt solsystem, som en komet som slingrar sig runt solen, med hänsyn till de faktorer som kommer att påverka deras rörelse mest signifikant. För den kometen, solens gravitation är vanligtvis den dominerande kraften, men gravitationskraften från närliggande planeter kan ändra dess väg, för.

Att bestämma rörelsen hos två enorma svarta hål är mycket mer komplicerat. Forskare måste ta hänsyn till faktorer som kanske inte märkbart påverkar mindre föremål; främst av dem är något som kallas gravitationsvågor. Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver gravitation som förvrängning av rymden av ett föremåls massa. När ett föremål rör sig genom rymden, förvrängningarna förvandlas till vågor. Einstein förutspådde förekomsten av gravitationsvågor 1916, men de observerades inte direkt förrän 2015 av Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).

Ju större ett föremåls massa, ju större och mer energisk gravitationsvågor skapar den. I EGT 287-systemet, forskare förväntar sig att gravitationsvågorna ska vara så stora att de kan bära tillräckligt med energi från systemet för att mätbart ändra det mindre svarta hålets omloppsbana - och därför tidpunkten för utbrotten.

Medan tidigare studier av OJ 287 har tagit hänsyn till gravitationsvågor, 2018 års modell är den mest detaljerade hittills. Genom att införliva information som samlats in från LIGO:s detektering av gravitationsvågor, det förfinar fönstret där en flare förväntas inträffa till bara 1 1/2 dag.

För att ytterligare förfina förutsägelsen av blossarna till bara fyra timmar, forskarna vek in detaljer om det större svarta hålets fysiska egenskaper. Specifikt, den nya modellen innehåller något som kallas "no-hair"-satsen om svarta hål.

Publicerad på 1960-talet av en grupp fysiker som inkluderade Stephen Hawking, satsen gör en förutsägelse om naturen hos svarta håls "ytor". Även om svarta hål inte har riktiga ytor, forskare vet att det finns en gräns runt dem som ingenting - inte ens ljus - kan fly. Vissa idéer hävdar att den yttre kanten, kallas händelsehorisonten, kan vara ojämn eller oregelbunden, men no-hair-satsen hävdar att "ytan" inte har några sådana egenskaper, inte ens hår (satsens namn var ett skämt).

Med andra ord, om man skulle skära det svarta hålet i mitten längs dess rotationsaxel, ytan skulle vara symmetrisk. (Jordens rotationsaxel är nästan perfekt i linje med dess nord- och sydpoler. Om du skär planeten på mitten längs den axeln och jämför de två halvorna, du skulle upptäcka att vår planet är mestadels symmetrisk, även om funktioner som hav och berg skapar några små variationer mellan halvorna.)

Hitta symmetri

På 1970-talet Caltech professor emeritus Kip Thorne beskrev hur detta scenario - en satellit som kretsar runt ett massivt svart hål - potentiellt kunde avslöja om det svarta hålets yta var slät eller ojämn. Genom att korrekt förutse det mindre svarta hålets omloppsbana med sådan precision, den nya modellen stöder no-hair-teoremet, vilket betyder att vår grundläggande förståelse av dessa otroligt konstiga kosmiska objekt är korrekt. OJ 287-systemet, med andra ord, stöder tanken att svarta hålsytor är symmetriska längs sina rotationsaxlar.

Så hur påverkar jämnheten på det massiva svarta hålets yta tidpunkten för det mindre svarta hålets omloppsbana? Den omloppsbanan bestäms mest av massan av det större svarta hålet. Om den blev mer massiv eller tappade en del av sin tyngd, det skulle ändra storleken på det mindre svarta hålets omloppsbana. Men fördelningen av massa har också betydelse. En massiv utbuktning på ena sidan av det större svarta hålet skulle förvränga utrymmet runt det annorlunda än om det svarta hålet var symmetriskt. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.