Astrofysikere har fanget noget ekstraordinært
Astrofysikere fra USA har opfanget en gravitationsbølge fra et objekt, som ifølge foreløbige analyser opstod i det første sekund efter Big Bang. Det burde veje mindre end Solen – og det modsiger alt, hvad vi ved om almindelige sorte huller.
Hvis fortolkningen bekræftes, ville det være det første spor af et primordialt sort hul – en relikt fra dengang, ingen stjerner endnu eksisterede. Derudover kunne det delvist forklare, hvad mørkt stof egentlig er sammensat af.
Forskerne Alberto Magaraggia og Nico Cappelluti fra University of Miami analyserede data fra detektoren LIGO og viste, at signalet betegnet som S251112cm har egenskaber, der bedst stemmer overens med netop et primordialt sort hul. Dette objekt kolliderede med et andet legeme og skabte de gravitationsbølger, vi registrerede. For at tale om et reelt gennembrud kræves mindst et par lignende signaler – men allerede muligheden for at registrere så eksotiske objekter åbner et nyt kapitel i astronomien.
Sådan opstår et sort hul, der ikke behøver en stjerne
Det klassiske forløb for dannelsen af et sort hul kender du fra fysikbøgerne. En massiv stjerne kollapser under sin egen vægt mod slutningen af sit liv, eksploderer som en supernova, og dens kerne omdannes til et sort hul. Et sådant objekt har typisk fra nogle få til nogle titalls solmasser.
Med det nye signal er historien en anden. Det objekt, der kolliderede med et andet legeme og frembragde de registrerede gravitationsbølger, har en masse markant lavere end Solens. Teoretisk set burde det slet ikke eksistere – medmindre det ikke opstod fra en stjerne, men på en helt anden måde.
En mulig forklaring er netop et primordialt sort hul, der opstod under ekstreme forhold kort efter Big Bang – inden de første stjerner overhovedet var dannet. Sådanne objekter er kosmiske fossiler fra universets første sekund.
Ifølge teoretiske modeller kan de være opstået fra meget tætte klumper af subatomær materie i et hede og usædvanligt hurtigt udvidende rum. De krævede ingen stjerne, ingen supernovaeksplosion – kun ren, ekstrem tæthed.
Hvorfor massen gør den afgørende forskel her
Almindelige sorte huller, som astronomer observerer, falder inden for to typiske massekategorier. Den første gruppe består af objekter med fra nogle få til titals solmasser – efterladenskaber fra massive stjerner. Den anden gruppe er supermasssive sorte huller i galaksers centre med millioner til milliarder af solmasser.
Det objekt, som det nye signal antyder, ligger markant under den nedre grænse for disse kendte tilfælde. Det udelukker praktisk talt det klassiske stjerneforløb og bringer konceptet om primordiale sorte huller i spil.
Astrofysikerne sammenlignede den forventede forekomstfrekvens af sådanne objekter med de faktiske data fra LIGO, som er indsamlet siden 2015. Signalets sjældenhed stemmer godt overens med de teoretiske modeller for primordiale sorte huller. Med andre ord – det dukker op præcis så sporadisk, som det burde, hvis disse objekter virkelig eksisterer.
Forskerne undersøgte også, om en anden type kompakt objekt – eksempelvis en neutronstjerne – kunne have en tilsvarende lav masse. Signalets karakteristika peger dog klart på en kollisionshændelse, der snarere svarer til et sort hul end til en neutronsstjerne.
Sådan lytter LIGO til universet via gravitationsbølger
Bag hele opdagelsen står LIGO – det amerikanske gravitationsbølgeobservatorium, der måler mikroskopiske rystelser i rummet, som opstår ved sammenstød mellem ekstremt massive objekter. I 2015 registrerede LIGO for første gang et signal fra en kollision mellem sorte huller, hvilket førte til Nobelprisen og en revolution inden for astronomien.
Nu opfanger det samme instrument noget langt mere subtilt. Signalet S251112cm kendetegnes ved en objektmasse, der ikke let lader sig placere i kendte kategorier. Magaraggia og Cappelluti analyserede dataene og peger på et primordialt sort hul som den mest overbevisende forklaring.
LIGO har vist, at det ikke blot kan registrere spektakulære kollisioner mellem massive sorte huller, men også spore langt lettere og mere eksotiske objekter skjult i datastøjen. Detektorerne anvender laserinterferometere med arme på fire kilometers længde, placeret i Hanford i delstaten Washington og i Livingston i Louisiana.
Én kollision afgør naturligvis ikke sagen. Et sådant signal kan have alternative fortolkninger, og astrofysikere er kendt for deres forsigtighed. Derfor erkender forskerne åbent, at de har brug for flere – helst et dusin – lignende hændelser for at opnå solid bekræftelse. Alligevel er selve det faktum, at instrumenterne overhovedet når en sådan følsomhed, i sig selv et gennembrud.
Er primordiale sorte huller universets skjulte stof?
Men historien stopper ikke her. Hvis signalet virkelig stammer fra et primordialt sort hul, berører vi et problem, som fysikere har kæmpet med i årtier – det såkaldte mørke stof.
Observationer af stjerner og galaksers bevægelser viser, at der mangler en enorm mængde masse i universet. Alt, vi kan se – stjerner, planeter, gas, støv – udgør kun omkring femten procent af det, der er nødvendigt for at forklare universets gravitationsadfærd. Resten består af usynlig materie, der hverken lyser eller reflekterer lys, men tiltrækker gravitationelt.
Én hypotese hævder, at en betydelig del af denne manglende masse kunne udgøres af netop primordiale sorte huller, spredt i rummet som mikroskopiske, usynlige “tyngdekugler”. Hvis LIGO faktisk er begyndt at registrere sådanne objekter, er det ikke bare en kuriositet.
Forskerne får et værktøj til at optælle disse huller og estimere deres samlede masse. Hver ny hændelse vil hjælpe med at besvare spørgsmålet, om primordiale sorte huller kan bringes i overensstemmelse med observationer af galakser, stjernehobe eller den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Visse teoretikere advarer dog om, at hvis primordiale sorte huller udgjorde alt det mørke stof, burde vi se markant mere gravitationslinsevirkning – lysets bøjning rundt om sådanne objekter. Det er endnu ikke bekræftet, så realistisk set kan de muligvis kun udgøre en brøkdel af det mørke stof.
Hvad LISA og næste generations detektorer kan bringe
LIGO er ikke det eneste instrument på horisonten. Den Europæiske Rumfartsorganisation udvikler projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – en rumbaseret gravitationsbølgedetektor. Tre satellitter skal danne et kæmpe trekantformet interferometer i kredsløb om Solen. Opsendelsen er planlagt til midten af trediverne.
LISA vil være følsom over for et andet frekvensområde end LIGO, hvilket betyder, at den vil opfange helt nye typer af kilder. For primordiale sorte huller kan det blive et gennembrud – visse af dem, særligt dem i par, kan generere bølger, der passer ideelt til det rumbaserede interferometers følsomhed.
- LIGO detekterer frekvensområdet fra titals til tusindvis af hertz, egnet til kollisioner mellem stjernernes sorte huller
- LISA vil opfange millihertz-området, svarende til mere massive og fjernere objekter
- Einstein Telescope i Europa forventes at begynde at fungere inden for de næste femten år med ti gange højere følsomhed
- Cosmic Explorer i USA foreslår arme på fyrre kilometers længde i stedet for de nuværende fire
- Den japanske detektor KAGRA er allerede i drift og tilføjer et tredje kontinent til observatorienetværket
- Pulsar timing array overvåger millisekundpulsarer og leder efter gravitationsbølger med en periode på år
Sådan forestiller man sig et sort hul lettere end Solen
Et sort hul lettere end Solen lyder en smule abstrakt, så lad os forankre det i noget mere håndgribeligt. Hvis der eksisterede et primordialt sort hul med massen af eksempelvis en større asteroide, ville det have en størrelse tæt på en fodbold – måske endda mindre. Og alligevel ville dets tyngdekraft overstige tyngdekraften fra et helt bjerg, og nær begivenhedshorisonten ville ikke engang en lysstråle undslippe.
Sådanne objekter er praktisk talt umulige at opdage med klassiske teleskoper. De lyser ikke, reflekterer ikke lys, og afslører sig indimellem kun ved at bøje lysstråler, der passerer bag dem – eller, som i dette tilfælde, ved at udsende gravitationsbølger ved kollision med anden materie.
Forskerne anslår, at der i vores Galakse kunne eksistere millioner til milliarder af sådanne miniature sorte huller, hvis de overhovedet findes. At identificere dem individuelt er næsten umuligt, men deres kollektive effekt på stjernebevægelser og kosmisk stråling kunne være målbar.
Hvad én atypisk opdagelse ændrer for fremtidig forskning
Selvom signalet S251112cm kræver bekræftelse, påvirker det allerede den måde, forskerne planlægger kommende studier på. Man er begyndt at gennemgå arkivdata og lede efter lignende, tidligere oversete hændelser. Teoretiske teams finjusterer modeller, der forudsiger, præcis hvordan kollisioner mellem primordiale sorte huller med forskellig masse bør se ud.
For os som almindelige iagttagere viser hele historien, hvor hurtigt astronomien forandrer sig. For kun ti år siden var gravitationsbølger blot et koncept fra Einsteins ligninger. I dag er de ved at blive et redskab til at undersøge de mest utilgængelige epoker i universets historie – dem, intet optisk eller radioteleskop kan vise.
Hvis de kommende år bringer flere lignende signaler, kan begreber som primordialt sort hul eller mørkt stof ophøre med at lyde som ren teori. Med tiden kan de blive en del af konkrete kataloger over objekter med beskrevne masser, kollisionsfrekvenser og indflydelse på galaksernes udvikling. Og da vil spørgsmål om begyndelsen på alt, der omgiver os, begynde at have langt mere numeriske og beregnelige svar. Måske erfare vi snart, om fossiler fra universets første sekund virkelig eksisterer – og hvad de kan fortælle os om virkelighedens struktur.
