Tidernas största krock mellan svarta hål utmanar teorier om hur de bildas

När rumtidens tystnad bröts

Den 23 november 2023 registrerade jordens mest känsliga gravitationsvågsinstrument en kort men kraftig krökning i rumtiden. Signalen var så ovanlig att forskare fortsatte att studera den i månader – och när resultaten offentliggjordes i mitten av juli 2025 omkullkastade de förväntningarna på hur de tyngsta stellära svarta hålen föds.

Vad som detekterades

Varför detta är ett problem för standardteorin

I årtionden har modeller för stjärnutveckling förutsagt ett gap i de svarta hålens masspektrum. Mycket massiva stjärnor, som normalt sett skulle producera svarta hål på mellan ungefär 60 och 130 solmassor, förväntas istället genomgå en parinstabilitetsprocess som antingen kastar ut stora delar av stjärnans massa eller spränger stjärnan helt och hållet, utan att lämna kvar någon kompakt rest. Det teoretiska intervallet har kallats för ”massgapet för parinstabilitet”.

Hur kan så massiva, snabbt roterande svarta hål bildas?

• Hierarkiska sammanslagningar: I täta miljöer som klotformiga stjärnhopar eller de tätbefolkade centrumen i unga stjärnhopar kan svarta hål slås samman upprepade gånger. Varje sammanslagning skapar en tyngre, ofta snabbt roterande rest som senare kan hitta en ny partner. Genom att upprepa den processen över generationer kan objekt byggas upp i och över massgapet.
• Ackretion inuti en aktiv galaxkärna (AGN): Massiva svarta hål som kretsar inuti den täta gasskivan runt ett supermassivt svart hål kan ackretera gas och migrera, vilket ökar deras massa innan de slås samman. Den miljön kan också rikta in eller förskjuta spinn på komplexa sätt, vilket kan producera de höga spinnvärden som observerats i GW231123.
• Exotiska kanaler eller revideringar av stjärnfysiken: Vissa modeller föreslår modifieringar av hur parinstabilitet fungerar – kanske på grund av skillnader i metallicitet, rotation eller omblandning i progenitorstjärnorna – vilket skulle kunna tillåta direkt bildande av tyngre rester än man tidigare trott.

Varje scenario har sina styrkor och svagheter. De mycket höga spinnvärden som uppmätts för GW231123 talar för ett hierarkiskt ursprung där tidigare sammanslagningar har drivit upp rörelsemängdsmomentet. Men hierarkiska kanaler tenderar också att randomisera spinnriktningar över generationer, vilket kan lämna spår i gravitationsvågens vågform som är svårare att bekräfta givet signalens kortvarighet.

Varför data är svårtolkade

Eftersom de två sammanslagna svarta hålen var så massiva fångade detektorerna endast in de sista ögonblicken av deras inspiral och sammanslagning – ungefär en tiondels sekund. Det innebär färre gravitationsvågscykler och mindre information för att fastställa parametrar som massförhållande, orientering och spinnlutningsvinklar. Olika vågformsmodeller som används för att härleda systemets egenskaper stämmer inte helt överens, vilket introducerar systematiska osäkerheter i mass- och spinnuppskattningarna.

Dessa modelleringsskillnader spelar roll: om en vågformsfamilj föredrar något annorlunda massor eller spinn än en annan, kan den astrofysikaliska tolkningen – huruvida komponenterna verkligen befinner sig i massgapet eller istället ligger på varsin sida om det – förändras. Samarbetet har därför varit konservativt gällande den påstådda precisionen och bedriver uppföljningsarbete med förbättrade vågformer och oberoende analyser.

Var det här passar in i det stora hela

GW231123 följer tidigare detektioner av gravitationsvågor som antytt förekomsten av oväntat tunga svarta hål. Det första tydliga intermediära svarta hålet som bildats från ett binärt system, GW190521 under 2019–2020, utmanade redan då modellerna. Reanalyser av arkiverade LIGO-data har också fått fram kandidathändelser som skulle producera intermediära rester, vilket tyder på att vi kan se en tidigare dold population.

Bevis för flera tunga sammanslagningar har vidsträckta konsekvenser. Det påverkar vår förståelse för hur de första generationerna av stjärnor levde och dog, dynamiken inuti täta stjärnhopar och rollen hos gasrika galaktiska miljöer. Det ger också en empirisk väg för att bygga intermediära svarta hål – en efterlängtad bro mellan stellära och supermassiva svarta hål.

Vad som händer härnäst

Forskare kommer att förfina parameteruppskattningarna med hjälp av mer sofistikerade vågformsmodeller, riktade numeriska relativitetssimuleringar och oberoende koder för parameteruppskattning. Maskininlärningstekniker och reanalyser av arkiverade data kommer också att fortsätta vaska fram kandidater för tunga sammanslagningar, vilket kommer att bidra till att bygga upp ett statistiskt förtroende för populationen.

En påfrestning och en ny möjlighet

GW231123 är inte bara ytterligare en post i en växande katalog av gravitationsvågsupptäckter. Det är en utmaning: en datapunkt som pressar mot en teoretisk gräns och tvingar astrofysiker att vidga eller ersätta delar av standardmodellen. Oavsett om svaret ligger i upprepade kollisioner inuti täta hopar, hungriga svarta hål som slukar gas i galaktiska kärnor eller en revidering av stjärndödens fysik, öppnar upptäckten ett nytt fönster mot hur naturen bygger de tyngsta kompakta objekten.

För närvarande är signalen en slående påminnelse om det vetenskapliga värdet i att lyssna på universum genom gravitationsvågor – och att några av kosmos mest intressanta hemligheter anländer som en kort, kraftfull viskning.

James Lawson är en undersökande vetenskaps- och teknikreporter för Dark Matter. Han har en MSc i vetenskapskommunikation och en BSc i fysik från University College London.