Trots all dess stora tomhet, universum brummar av aktivitet i form av gravitationsvågor. Producerad av extrema astrofysiska fenomen, dessa efterklangar skvalpar fram och skakar rum-tidens struktur, som klingandet av en kosmisk klocka.

Nu har forskare upptäckt en signal från vad som kan vara den mest massiva sammanslagningen av svarta hål som hittills observerats i gravitationsvågor. Produkten av sammanslagningen är den första tydliga upptäckten av ett "mellanmassa" svart hål, med en massa mellan 100 och 1, 000 gånger solens.

De upptäckte signalen, som de har märkt GW190521, den 21 maj, 2019, med National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), ett par identiska, 4-kilometer långa interferometrar i USA; och Jungfrun, en 3 kilometer lång detektor i Italien.

Signalen, liknar ungefär fyra korta vickningar, är extremt kort i varaktighet, varar mindre än en tiondels sekund. Av vad forskarna kan säga, GW190521 genererades av en källa som är ungefär 5 gigaparsec bort, när universum var ungefär halva dess ålder, vilket gör den till en av de mest avlägsna gravitationsvågkällorna som hittills upptäckts.

Vad som producerade denna signal, baserad på en kraftfull uppsättning av toppmoderna beräknings- och modelleringsverktyg, forskare tror att GW190521 med största sannolikhet genererades av en binär sammanslagning av svarta hål med ovanliga egenskaper.

Nästan varje bekräftad gravitationsvågsignal hittills har kommit från en binär sammanslagning, antingen mellan två svarta hål eller två neutronstjärnor. Den här senaste sammanslagningen verkar vara den mest massiva hittills, involverar två inspirerande svarta hål med massor av cirka 85 och 66 gånger solens massa.

LIGO-Virgo-teamet har också mätt varje svart håls snurr och upptäckt att när de svarta hålen cirkulerade allt närmare varandra, de kunde ha snurrat runt sina egna yxor, i vinklar som inte var i linje med deras banas axel. De svarta hålens felinriktade snurr fick sannolikt deras banor att vackla, eller "precess, " när de två Goliaterna spiralerade mot varandra.

Den nya signalen representerar sannolikt ögonblicket då de två svarta hålen slogs samman. Sammanslagningen skapade ett ännu mer massivt svart hål, av cirka 142 solmassor, och frigjorde en enorm mängd energi, motsvarande cirka 8 solmassor, sprids över universum i form av gravitationsvågor.

"Det här ser inte mycket ut som ett kvittrande, vilket är vad vi vanligtvis upptäcker, " säger Jungfrumedlemmen Nelson Christensen, en forskare vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS), att jämföra signalen med LIGO:s första upptäckt av gravitationsvågor 2015. "Detta är mer som något som går 'pang', ' och det är den mest massiva signalen LIGO och Jungfrun har sett."

Det internationella teamet av forskare, som utgör LIGO Scientific Collaboration (LSC) och Virgo Collaboration, har rapporterat sina resultat i två tidningar publicerade idag. Ett, dyker upp i Fysiska granskningsbrev , beskriver upptäckten, och den andra, i The Astrophysical Journal Letters , diskuterar signalens fysikaliska egenskaper och astrofysiska implikationer.

"LIGO överraskar oss återigen inte bara med upptäckten av svarta hål i storlekar som är svåra att förklara, men att göra det med hjälp av tekniker som inte utformades specifikt för stjärnsammanslagningar, " säger Pedro Marronetti, programdirektör för gravitationsfysik vid National Science Foundation. "Detta är av enorm betydelse eftersom det visar instrumentets förmåga att upptäcka signaler från helt oförutsedda astrofysiska händelser. LIGO visar att det också kan observera det oväntade."

I massklyftan

De unikt stora massorna av de två inspirerande svarta hålen, såväl som det sista svarta hålet, väcka en rad frågor angående deras bildande.

Alla de svarta hålen som hittills observerats passar in i någon av två kategorier:svarta hål med stjärnmassa, som mäter från några solmassor upp till tiotals solmassor och tros bildas när massiva stjärnor dör; eller supermassiva svarta hål, som den i mitten av Vintergatans galax, som är från hundratusentals, till miljarder gånger så mycket som vår sol.

Dock, det sista svarta hålet med 142 solmassor som produceras av GW190521-sammanslagningen ligger inom ett mellanliggande massintervall mellan stjärnmassa och supermassiva svarta hål – det första i sitt slag som någonsin upptäckts.

De två svarta hålen som producerade det sista svarta hålet verkar också vara unika i sin storlek. De är så massiva att forskare misstänker att en eller båda av dem kanske inte har bildats från en kollapsande stjärna, som de flesta svarta hål med stjärnmassa gör.

Enligt fysiken för stjärnutveckling, Utåtriktat tryck från fotoner och gas i en stjärnas kärna stödjer den mot tyngdkraften som trycker inåt, så att stjärnan är stabil, som solen. Efter att kärnan i en massiv stjärna smälter samman kärnor så tunga som järn, det kan inte längre producera tillräckligt med tryck för att stödja de yttre skikten. När detta yttre tryck är mindre än gravitationen, stjärnan kollapsar under sin egen vikt, i en explosion som kallas en kärnkollaps supernova, som kan lämna efter sig ett svart hål.

Denna process kan förklara hur stjärnor så massiva som 130 solmassor kan producera svarta hål som är upp till 65 solmassor. Men för tyngre stjärnor, ett fenomen som kallas "parinstabilitet" tros slå in. När kärnans fotoner blir extremt energiska, de kan förvandlas till ett elektron- och antielektronpar. Dessa par genererar mindre tryck än fotoner, får stjärnan att bli instabil mot gravitationskollaps, och den resulterande explosionen är tillräckligt stark för att inte lämna något efter sig. Ännu mer massiva stjärnor, över 200 solmassor, skulle så småningom kollapsa direkt i ett svart hål med minst 120 solmassor. En kollapsande stjärna, sedan, borde inte kunna producera ett svart hål mellan cirka 65 och 120 solmassor – ett intervall som är känt som "parets instabilitetsmassgap".

Men nu, det tyngre av de två svarta hålen som producerade GW190521-signalen, vid 85 solmassor, är den första som hittills detekterats inom parets instabilitetsmassgap.

"Det faktum att vi ser ett svart hål i denna massklyfta kommer att få många astrofysiker att klia sig i huvudet och försöka ta reda på hur dessa svarta hål skapades, säger Christensen, som är chef för Artemis-laboratoriet vid Nice-observatoriet i Frankrike.

En möjlighet, som forskarna anser i sin andra uppsats, är av en hierarkisk sammanslagning, där de två förfädersvarta hålen själva kan ha bildats genom sammanslagning av två mindre svarta hål, innan de migrerar tillsammans och slutligen slås samman.

"Det här evenemanget öppnar fler frågor än det ger svar, " säger LIGO-medlemmen Alan Weinstein, professor i fysik vid Caltech. "Ur perspektivet upptäckt och fysik, det är en väldigt spännande sak."

"Något oväntat"

Det finns många frågor kvar angående GW190521.

När LIGO- och Jungfrudetektorer lyssnar efter gravitationsvågor som passerar genom jorden, automatiserade sökningar kammar igenom inkommande data efter intressanta signaler. Dessa sökningar kan använda två olika metoder:algoritmer som plockar ut specifika vågmönster i data som kan ha producerats av kompakta binära system; och mer allmänna "burst"-sökningar, som i huvudsak letar efter något utöver det vanliga.

LIGO-medlem Salvatore Vitale, biträdande professor i fysik vid MIT, liknar kompakta binära sökningar med "att passera en kam genom data, som kommer att fånga saker på ett visst avstånd, " i motsats till burst-sökningar som är mer av en "catch-all"-metod.

I fallet med GW190521, det var en seriesökning som fick upp signalen något tydligare, öppnar den mycket lilla chansen att gravitationsvågorna uppstod från något annat än en binär sammanslagning.

"Standarden för att hävda att vi har upptäckt något nytt är mycket hög, " Weinstein säger. "Så vi använder vanligtvis Occams rakhyvel:Den enklare lösningen är den bättre, som i det här fallet är ett binärt svart hål."

Men vad händer om något helt nytt producerade dessa gravitationsvågor? Det är ett lockande perspektiv, och i sin uppsats överväger forskarna kortfattat andra källor i universum som kan ha producerat signalen de upptäckt. Till exempel, kanske har gravitationsvågorna sänts ut av en kollapsande stjärna i vår galax. Signalen kan också komma från en kosmisk sträng som produceras precis efter att universum blåsts upp i sina tidigaste ögonblick – även om ingen av dessa exotiska möjligheter matchar data så väl som en binär sammanslagning.

"Sedan vi först slog på LIGO, allt vi har observerat med tillförsikt har varit en kollision av svarta hål eller neutronstjärnor, " Weinstein säger "Detta är den händelse där vår analys tillåter möjligheten att denna händelse inte är en sådan kollision. Även om denna händelse är förenlig med att vara från en exceptionellt massiv binär svart håls sammanslagning, och alternativa förklaringar ogillas, det tänjer på gränserna för vårt förtroende. Och det gör det potentiellt mycket spännande. För vi har alla hoppats på något nytt, något oväntat, som kan utmana det vi redan har lärt oss. Det här evenemanget har potential att göra det."