Det första svarta hålet som någonsin upptäckts är mer massivt än vi trodde

En konstnärs illustration av Cygnus X-1 svarta hålet och stjärnan. International Centre for Radio Astronomy Research

Einstein förutspådde först förekomsten av svarta hål när han publicerade sin allmänna relativitetsteori 1916, som beskrev hur gravitationen formar rymdtidens struktur. Men astronomer upptäckte inte en förrän 1964, cirka 6 070 ljusår bort i konstellationen Cygnus. Geigerräknare som lanserades i rymden upptäckte kosmisk röntgenstrålning från en region som kallas Cygnus X-1. (Vi vet nu att de kosmiska strålarna produceras av svarta hål. Då var forskare oeniga om vad det var: Stephen Hawking slog vad om fysikern Kip Thorne att denna signal inte kom från ett svart hål, men han medgav 1990.)

Nu, cirka 57 år senare, har forskare lärt sig att det svarta hålet vid Cygnus X-1 är mycket mer massivt än man först trodde – vilket tvingar oss att återigen tänka om hur svarta hål bildas och utvecklas. Den här gången togs observationerna från jordens yta.

Till viss del var resultatet serendipitalt, säger James Miller-Jones från International Centre for Radio Astronomy Research vid Curtin University i Australien, huvudförfattare till den nya studien, publicerad i Science . Vi hade från början inte satt oss för att mäta om avståndet och svarthålsmassan, men när vi hade analyserat våra data insåg vi dess fulla potential.

Svarta hål är föremål så massiva att inte ens ljus, än mindre fysisk materia, är tänkt att undkomma dess gravitationskraft. Men ibland spyr man på oförklarligt sätt strålar av strålning och joniserad materia ut i rymden. Miller-Jones och hans team ville undersöka hur materia sugs in i och drivs ut från svarta hål, så de tog en närmare titt på Cygnus X-1.

De observerade det svarta hålet i sex dagar med hjälp av Very Long Baseline Array, ett nätverk av 10 radioteleskop placerade över Nordamerika från Hawaii till Jungfruöarna. Upplösningen är jämförbar med vad som skulle krävas för att upptäcka ett 10-centimeters föremål på månen, och det är samma teknik som Event Horizon Telescope använde för att ta det första fotot av ett svart hål .

Med hjälp av en kombination av mätningar som involverade radiovågor och temperaturer modellerade teamet de exakta banorna för både Cygnus X-1:s svarta hål och den massiva superjätten HDE 226868 (de två objekten kretsar runt varandra). Att känna till omloppsbanorna för varje objekt gjorde att teamet kunde extrapolera sina massor – i fallet med det svarta hålet, 21 solmassor, vilket är cirka 50 % mer än en gång trodde.

Massan av svarta hål beror på några faktorer, särskilt storleken på stjärnan som kollapsade i det svarta hålet och mängden massa som eroderar bort i form av stjärnvind. Hetare och ljusare stjärnor tenderar att producera mer flyktiga stjärnvindar, och de tenderar också att vara tyngre. Så ju mer massiv en stjärna är, desto mer benägen är den att förlora massa via stjärnvinden före och under dess kollaps, vilket resulterar i ett ljusare svart hål.

Men i allmänhet trodde forskare att stjärnvindar i Vintergatan var starka nog att begränsa massan av svarta hål till högst 15 solmassor, oavsett hur stora stjärnorna ursprungligen var. De nya resultaten upphäver tydligt dessa uppskattningar.

Att hitta ett svart hål som var betydligt mer massivt än denna gräns säger oss att vi måste revidera våra modeller av hur mycket massa de största stjärnorna förlorar i stjärnvindar under sin livstid, säger Miller-Jones. Det kan betyda att stjärnvindarna som rör sig genom Vintergatan är mindre kraftfulla än vi trodde, eller att stjärnorna blöder massa på andra sätt. Eller så kan det betyda att svarta hål beter sig på mer oberäkneliga sätt än vi kan förutse.

Teamet planerar att följa upp med fler observationer av Cygnus X-1. Andra instrument, som den planerade Square Kilometer Array i Australien och Sydafrika, skulle kunna ge bättre utsikt över detta och andra närliggande svarta hål. Det kan vara allt från 10 miljoner till en miljard svarta hål i Vintergatan, och att studera åtminstone några fler av dem kan hjälpa till att reda ut detta mysterium.

Dölj