Forskare observerade vad som ser ut att vara ett bulkigt svart hål som trasslar ihop sig med ett mer vanligt. Forskargruppen, som inkluderar fysiker från University of Maryland, upptäckte två svarta hål som smälter samman, men ett av de svarta hålen var 1 1/2 gånger mer massivt än något som någonsin observerats vid en kollision med svart hål. Forskarna tror att det tyngre svarta hålet i paret kan vara resultatet av en tidigare sammanslagning mellan två svarta hål. Denna typ av hierarkisk kombination av svarta hål har tidigare antagits men den observerade händelsen, märkt GW190521, skulle vara det första beviset för sådan verksamhet. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration (LSC) och Virgo Collaboration tillkännagav upptäckten i två artiklar publicerade den 2 september, 2020, i journalerna Fysiska granskningsbrev och Astrofysiska tidskriftsbrev .

Forskarna identifierade de sammanslagna svarta hålen genom att detektera gravitationsvågorna – krusningar i rymdtidens väv – som produceras i de sista ögonblicken av sammanslagningen. Gravitationsvågorna från GW190521 upptäcktes den 21 maj, 2019, av de dubbla LIGO-detektorerna i Livingston, Louisiana, och Hanford, Washington, och Jungfrudetektorn som ligger nära Pisa, Italien.

"Massan av det större svarta hålet i paret placerar det i området där det är oväntat från vanliga astrofysiska processer, sa Peter Shawhan, professor i fysik vid UMD, en LSC:s huvudutredare och LSC:s observationsvetenskapliga samordnare. "Det verkar för massivt för att ha bildats av en kollapsad stjärna, det är där svarta hål i allmänhet kommer ifrån."

Det större svarta hålet i det sammanslagna paret har en massa som är 85 gånger större än solen. Ett möjligt scenario som föreslås av de nya tidningarna är att det större föremålet kan ha varit resultatet av en tidigare sammanslagning av svarta hål snarare än en enda kollapsande stjärna. Enligt nuvarande uppfattning, stjärnor som kan föda svarta hål med massor mellan 65 och 135 gånger större än solen kollapsar inte när de dör. Därför, vi förväntar oss inte att de bildar svarta hål.

"Ända från början, denna signal, som bara är en tiondels sekund lång, utmanade oss att identifiera dess ursprung, sa Alessandra Buonanno, en College Park-professor vid UMD och en LSC-huvudutredare som också har en utnämning som direktör vid Max Planck Institute for Gravitational Physics i Potsdam, Tyskland. "Men, trots dess korta varaktighet, vi kunde matcha signalen med en förväntad av fusioner med svarta hål, som förutspåtts av Einsteins allmänna relativitetsteori, och vi insåg att vi hade sett, för första gången, födelsen av ett mellanstort svart hål från en svarthålsförälder som med största sannolikhet föddes från en tidigare binär sammanslagning."

GW190521 är en av tre senaste gravitationsvågsupptäckter som utmanar nuvarande förståelse av svarta hål och gör det möjligt för forskare att testa Einsteins allmänna relativitetsteori på nya sätt. De andra två händelserna inkluderade den första observerade sammansmältningen av två svarta hål med distinkt ojämna massor och en sammanslagning mellan ett svart hål och ett mysteriumobjekt, som kan vara det minsta svarta hålet eller den största neutronstjärnan som någonsin observerats. En forskningsartikel som beskriver det senare publicerades i Astrofysiska tidskriftsbrev den 23 juni, 2000, medan en tidning om den tidigare händelsen kommer att publiceras inom kort Fysisk granskning D .

"Alla tre händelserna är nya med massor eller massförhållanden som vi aldrig har sett förut, sa Shawhan, som också är fellow vid Joint Space-Science Institute, ett partnerskap mellan UMD och NASA:s Goddard Space Flight Center. "Så inte bara lär vi oss mer om svarta hål i allmänhet, men på grund av dessa nya fastigheter, vi kan se effekter av gravitationen runt dessa kompakta kroppar som vi inte har sett tidigare. Det ger oss en möjlighet att testa teorin om allmän relativitet på nya sätt."

Till exempel, Den allmänna relativitetsteorin förutspår att binära system med distinkt ojämna massor kommer att producera gravitationsvågor med högre övertoner, och det är precis vad forskarna kunde observera för första gången.

"Vad vi menar när vi säger högre övertoner är som skillnaden i ljud mellan en musikalisk duett med musiker som spelar samma instrument kontra olika instrument, sa Buonanno, som utvecklade vågformsmodellerna för att observera övertonerna med sin LSC-grupp. "Ju mer understruktur och komplexitet binären har - till exempel är massan eller spinn av de svarta hålen olika - desto rikare är spektrumet för den strålning som sänds ut."

Förutom dessa tre sammanslagningar av svarta hål och en tidigare rapporterad sammanslagning av binära neutronstjärnor, observationskörningen från april 2019 till mars 2020 identifierade 52 andra potentiella gravitationsvågshändelser. Händelserna publicerades i ett offentligt varningssystem som utvecklats av LIGO och Jungfruns samarbetsmedlemmar i ett program som ursprungligen leddes av Shawhan så att andra vetenskapsmän och intresserade medlemmar av allmänheten kan utvärdera gravitationsvågsignalerna.

"Gravitationsvågshändelser upptäcks regelbundet, " sa Shawhan, "och några av dem visar sig ha anmärkningsvärda egenskaper som utökar vad vi kan lära oss om astrofysik."