Det svänger om de svarta hålen

Det är först helt nyligen som vi fått chansen att ta reda på vad som händer med materia precis innan den slukas av ett svart hål. Svaret finns dolt i en speciell melodi som regelbundet upprepar ett ackord av två låga toner med frekvenskvoten 2:3, känd för musiker som kvint. Melodin sänds ut i röntgenvågor av mycket speciella objekt i rymden – mikrokvasarer – och uppstår vid det svarta hålets rand, bortom vilken ingenting slipper undan. Allt som passerar försvinner in i det svarta hålet.

Mikrokvasarer är miniversioner av kvasarer, universums mäktigaste energikällor. De hittas i centrum av många galaxer och ligger mycket långt bort från oss. I själva verket tillhör kvasarerna de mest avlägsna objekt som någonsin upptäckts. Mikrokvasarer däremot, cirka tio miljoner gånger mindre än kvasarerna, finns i vår närhet i Vintergatan.

Energi som driver både kvasarer och deras mikrovarianter frigörs när materia faller in i ett svart hål. Hur det går till förstår vi ännu inte i detalj. Några av de mest förbryllande aspekterna handlar om regelbundna svängningar i den infallande materien. I synnerhet de mycket snabba så kallade kvasiperiodiska oscillationerna i röntgenstrålningen från mikrokvasarer är fortfarande helt oförklarade.

Vi har märkt att dessa oscillationer uppvisar samma typiska mönster som periodiska svängningar hos ett enkelt system som består av en spiralfjäder fäst vid en pendel. Om det är rätt, kan gåtan med de snabba svängningarna få sin lösning. Samtidigt bidrar vår förklaring till att belysa några dunkla punkter i teorierna om svarta hål som i sin tur kan ge oss en bättre förståelse av kvasarerna.

Redan för fyrtio år sedan kom astronomerna fram till att centrumet i nästan varje galax fylls av ett monster – ett enormt stort svart hål. Det centrala svarta hålet i vår egen galax väger fyra miljoner solmassor, men i många andra galaxer kan de svarta hålen väga upp till ett par miljarder solmassor. Många gånger lyser omgivningarna kring det supermassiva svarta hålet så starkt att de helt överglänser värdgalaxens utstrålning. Sådana objekt kallas kvasarer.

Inget annat sänder ut så mycket energi som kvasarer. Även om vissa gammastråleutbrott och supernovor tillfälligt kan överträffa kvasarerna, så varar de som längst i några veckor medan kvasarer lyser stadigt i hundratals miljoner år.

Vi förstår nu att kvasarernas enorma energi frigörs när materia faller in mot det svarta hålet. Den faller dock inte fritt, för då skulle allt försvinna in i det svarta hålet utan att lämna några spår.

Men när det uppstår friktion är fallet inte längre fritt – en del av materiens rörelseenergi omvandlas då till värme. Det är ungefär vad som sker när en meteorit träffar jordens atmosfär och lämnar ett glödande spår efter sig där friktionskraften värmer upp meteoriten och luften runt omkring.

På samma sätt strålar den heta materien som omger det svarta hålet. Sannolikt roterar materien mycket snabbt och bildar en gigantisk virvel som hettas upp till hundratals miljoner grader och lyser i röntgenstrålning, synligt ljus och radiovågor.

En del av materien faller inte in i det svarta hålet, utan kastas ut ur virveln åt två motsatta håll som smala jetstrålar. Strålarna färdas tiotals miljoner ljusår genom rymden med nästan ljusets hastighet. Detta är en spektakulär uppvisning av naturens kraft. Men också en gåta.

Liksom kvasarerna får mikrokvasarerna sin kraft från materia som virvlar in mot ett svart hål. Men medan kvasarerna närs av materien från sin värdgalax matas mikrokvasarerna med materia från en närliggande stjärna. En mikrokvasar är alltså en dubbelstjärna som består av en vanlig stjärna och ett svart hål med en massa på omkring 10 solmassor.

Mikrokvasarerna är inte bara tio miljoner gånger mindre än kvasarer, de lever också tio miljoner gånger snabbare. En process som för en kvasar tar några år, sker på bara några sekunder för en mikrokvasar. Därför är det mycket lättare att följa förändringarna hos en mikrokvasar. Och om vi förstår mikrokvasarerna, hoppas vi även kunna knäcka en del av kvasarernas gåtor.

Den mesta tiden tillbringar en mikrokvasar i vila. Under de lugna perioderna syns bara strålning från dess kompanjonstjärna. Stjärnan utforskas med standardmetoder som astronomerna utvecklade under förra seklet. Ljusets så kallade dopplerförskjutning ger oss kunskap om kompanjonstjärnans banrörelse, och ur den kan vi beräkna både stjärnans och det svarta hålets massa. Det är så vi har kommit fram till att svarta hål i dubbelstjärnor väger mellan 6 och 20 solmassor.

Ibland vaknar en mikrokvasar upp i ett kraftigt utbrott. Det beror på att materia strömmar ut från stjärnan mot det svarta hålet. Då strålar den upphettade materievirveln kring det svarta hålet i många olika våglängder – från de kortaste röntgenstrålar till synligt ljus och de längsta radiovågorna.

Strålningen bär med sig information om temperaturen och virvelns innerradie, vilken inte är större än 50 kilometer. Detta är ett direkt bevis på närvaron av ett svart hål. Något som är tyngre än 6 solmassor och mindre än 5 mil i diameter kan bara vara ett svart hål!

Den röntgenstrålning som en mikrokvasar sänder ut vid utbrottet är inte stabil. Den varierar på ett till synes kaotiskt sätt som liknar kraftigt buller. En noggrann analys av observationsdata avslöjar dock regelbundna mönster begravda i bullret, som låga viskningar på en tydlig melodi. Det är de som kallas kvasiperiodiska oscillationer och beskrivs med deras frekvenser.

En frekvens på 1 hertz innebär att strålflödets intensitet ändras från sitt högsta värde till det lägsta och tillbaka till det högsta på en sekund. En frekvens på 1 000 hertz betyder att ett tusen sådana fullständiga cykler, högsta–lägsta–högsta, ryms inom en sekund.

I flera mikrokvasarer uppträder de kvasiperiodiska oscillationerna inte som en enda svängning utan i par, som dubbla toppar (vi kallar dem twin peaks). Till exempel fann vi i mikrokvasaren GRO J1655-40 frekvenserna 300 hertz och 450 hertz. Kvoten mellan dessa två, 300/450 = 2/3, ser ut att finnas i samtliga mikrokvasarer som vi har studerat.

Detta är viktigt av minst två skäl. Det första är att ett sådant samspel tyder på att det finns en resonans mellan frekvenserna. Och flera fysikaliska egenskaper hos en resonans beskrivs i fysiken av en matematiskt exakt teori. Genom att studera systemets resonans kan vi upptäcka en del intressanta fakta om systemet, i synnerhet om dess interna struktur.

Det andra skälet är att liknande dubbla frekvenstoppar har upptäckts också i andra dubbelstjärnor, där en tung neutronstjärna i stället för ett svart hål samlar på sig grannens massa. Också där är förhållandet mellan frekvenserna 2/3, fast det syns på ett mer subtilt sätt än hos mikrokvasarerna. I dessa dubbelstjärnor varierar nämligen frekvenserna, men de verkar variera på ett samspelt sätt: ökar den ena frekvensen blir även den andra högre. Det är möjligt att så sker även hos mikrokvasarerna, men variationen är i så fall för liten för att märkas.

I takt med att frekvenserna varierar ändras även kvoten mellan dem. Kanske var det därför vi bemöttes med en viss skepsis när vi föreslog att resonansen spelar en viktig roll också hos dubbelstjärnor där ena parten är en neutronstjärna. Vi fann dock att trots att kvoten kan variera från observation till observation, är frekvenskvoterna hos de flesta dubbelstjärnor fortfarande mycket nära värdet 2/3. Resonansen finns alltså även här.

Vi har nu lyckats utveckla en abstrakt matematisk modell som beskriver svängningarna och deras 2/3-resonans. Är det en bra nyhet? Inte ännu. Visserligen klarar modellen att exakt beskriva svängningarnas egenskaper, men vad är det egentligen som svänger? Varför svänger det och varför syns svängningarna just i röntgenstrålning? Först när dessa frågor besvarats kan vi säga att vi har löst gåtan.

Förmodligen är det materiens rörelse kring det svarta hålet som ligger bakom svängningarna. Vi tror det därför att frekvenserna hos de kvasiperiodiska oscillationerna håller sig stabila under mycket lång tid. Till exempel, de frekvenser på 300 och 450 hertz som observerades år 1996 i mikrokvasaren GRO J1655-40 återkom nästan nio år senare under 2005 års utbrott. Då kan svängningarna inte ha orsakats av magnetfältet, materiens densitet eller dess temperatur, eftersom de egenskaperna varierar mycket över tid.

Bara två storheter som vi känner till kan hålla sig konstanta under nio år – det svarta hålets massa och dess egenrotation, spinn. Således tror vi att frekvenserna hos de kvasiperiodiska oscillationerna enbart beror på dessa två faktorer. Frekvenser som bara beror på spinn och massa går att beräkna, men ingen av hundratals superdatorsimuleringar av materieflöden kring svarta hål har lett till den observerade 2/3-resonansen.

Så försöken att dechiffrera det budskap som ligger dolt i våra mätdata är bara delvis framgångsrika. Vi är säkra på att svaret är en resonans, men fortfarande vet vi inte något om vad som svänger och varför.

Forskningen som beskrivs i artikeln finansieras av bl.a. Vetenskapsrådet.