Et kort, kraftig glimt av gamma- og røntgenstråling som ble fanget opp av teleskoper i november 2024, kan ha hatt en uventet forklaring.
Bare sekunder tidligere registrerte måleapparatene i LIGO-Virgo-KAGRA et tydelig signal av gravitasjonsbølger fra samme lille område på himmelen. Slike signaler oppstår når to sorte hull kolliderer og smelter sammen. Dette er blant de mest ekstreme hendelsene i universet, men de antas som regel ikke å gi fra seg lys som kan oppdages fra jorden.
En forskergruppe ledet av astronomen Shu-Rui Zhang ved University of Science and Technology of China mener likevel at de to observasjonene kan henge sammen. Ifølge forskerne kan sammenslåingen ha skjedd inne i en enorm skive av støv og gass som omgir et tredje, supermassivt sort hull i sentrum av en aktiv galakse, et såkalt aktivt galaktisk kjerneområde (AGN).
Det er vanskelig å bekrefte detaljer på en avstand på over 4,2 milliarder lysår. Men kombinasjonen av gravitasjonsbølger og lysglimt tyder på at når forholdene er helt riktige, kan kolliderende sorte hull ledsages av en kortvarig lysutladning.
– Modellen vår gir konkrete forutsigelser, og vi understreker viktigheten av å begrense banens eksentrisitet for sammenslåingen og gjennomføre dype observasjoner av vertsgalaksen for å teste forklaringen, skriver forskerne.
Siden den første direkte observasjonen av gravitasjonsbølger i 2015 har antallet registrerte hendelser vokst til flere hundre. Selv om ikke alle signalene er ferdig analysert eller endelig bekreftet, mener forskere at de fleste stammer fra kollisjoner mellom to sorte hull, de mest kompakte objektene vi kjenner til.
De fleste slike sammenslåinger har vært «mørke». Forskere har lenge lett etter lys som kan knyttes til gravitasjonsbølgesignaler, men som regel tyder dataene på at eventuelle utbrudd skjer på innsiden av hendelseshorisonten, og dermed ikke kan observeres.
Hendelsen 25. november 2024, kalt S241125n, skilte seg ut. Gravitasjonsbølgene ble målt i det globale nettverket av detektorer og pekte mot en sammenslåing rundt 4,2 milliarder lysår unna. Resultatet skal ha vært et nytt objekt med en masse på om lag 150 ganger solens.
Omtrent 11 sekunder senere registrerte flere røntgenobservatorier et glimt av røntgenlys, samtidig som et gammastråleutbrudd ble oppdaget fra samme område på himmelen. Forskerne beregnet at sannsynligheten for at dette kun var en tilfeldig samtidighet, er lav, omtrent én slik tilfeldighet på 30 år med observasjoner.
Siden både lys og gravitasjonsbølger beveger seg med lyshastigheten, peker rekkefølgen på at de to sorte hullene først smeltet sammen, og at et lysutbrudd kom rett etterpå.
Problemet er at sorte hull i seg selv ikke skal sende ut observerbart lys. Når det likevel dukker opp et lyssignal, må det derfor trolig skyldes omgivelsene.
En prosess som kan gi kraftig stråling, er akkresjon, når et sort hull «spiser» materiale. Ligger det en tilførsel av gass og støv i nærheten, kan dette danne en skive som varmes kraftig opp av friksjon og gravitasjon idet den roterer innover. Slike systemer kan også produsere smale jetstråler der materiale akselereres langs magnetfeltlinjer og skytes ut fra områdene nær polene med ekstrem hastighet.
Forskerne påpeker at gammastråleutbruddet etter S241125n hadde enkelte trekk som ikke helt ligner de mer vanlige gammastråleutbruddene, som ofte knyttes til kollapsende stjerner eller sammenslåinger av nøytronstjerner.
En mulig forklaring, ifølge Zhang og kollegene, er en episode med rask akkresjon. Men for at et nyfusjonert sort hull skal kunne få en slik «matpakke» tilgjengelig umiddelbart, må sammenslåingen skje i et miljø som allerede er rikt på materiale.
Derfor simulerte de hva som kan skje dersom to sorte hull med stjernemasse kolliderer inne i akkresjonsskiven til et langt større, supermassivt sort hull i en aktiv galaktisk kjerne. Slike supermassive sorte hull kan ha masser fra millioner til milliarder ganger solens.
Når to sorte hull med ulik masse smelter sammen, kan det nyfødte sorte hullet få et kraftig «kick» som gir det fart i én retning. I et tett AGN-miljø kan en slik bevegelse føre til at objektet brøyter gjennom gass og støv, noe som i følge simuleringene kan utløse økt akkresjon og danne jetstråler. Dette kan igjen skape et strålingsmønster som ligner det observerte gammastråleutbruddet.
Hypotesen passer også med at galaksesentre er svært «travle» steder, der store mengder materiale og mange kompakte objekter kan samles og bevege seg i komplekse baner. I slike områder kan også mindre sorte hull og doble systemer gradvis trekkes innover mot sentrum.
Forskerne understreker at det trengs mer data for å bekrefte forklaringen. Samtidig mener de at hendelsen kan gi et interessant nytt innblikk i hva som skjer i galaktiske kjerner, og hvordan sorte hull-sammenslåinger kan arte seg i miljøer fulle av gass og støv.
– Fremtidige studier av S241125n og lignende hendelser kan gi dypere innsikt i den grunnleggende fysikken bak sammenslåinger av sorte hull og deres rolle i universet, skriver forskerne, og peker på at dette kan avdekke nye koblinger mellom gravitasjonsbølger, elektromagnetiske signaler og miljøet der hendelsene skjer.
Studien er publisert i The Astrophysical Journal Letters.
