Et gravitationsbølgesignal har sat den videnskabelige verden på den anden ende
Et netværk af gravitationsbølgedetektorer har registreret en kollision mellem to kompakte objekter, hvor det ene har en masse mindre end Solen. Et så let sort hul passer ikke ind i nogen kendte modeller for stjernernes udvikling — og det har ledt forskerne frem til en fascinerende hypotese om dets oprindelse i de første mikrosekunder efter Big Bang.
Klassisk astrofysik fortæller os, at et sort hul dannes fra kernen i en massiv stjerne og som minimum skal veje tre solmasser. Da fysikere fra holdet LIGO–Virgo–Kagra analyserede hændelsen betegnet S251112cm, opdagede de imidlertid, at det ene objekt vejer mindre end vores egen stjerne. Denne anomali åbner døren til en helt ny fortolkning — måske observerer vi for første gang i historien et spor efter et ursort hul, som opstod, da universet var mindre end en milliontedel sekund gammelt.
Hvorfor gravitationsbølger skabte røre blandt astronomerne
Det hele begyndte med det, der lignede en rutinemæssig signaldetektion i observatorienetværket LIGO, Virgo og japanske Kagra. Disse anlæg måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle forårsaget af en gravitationsbølge, der passerer gennem Jorden. Hvert sådant signal afslører parametrene for de kolliderende objekter — masse, afstand og type.
Ved normale hændelser registrerer fysikerne sorte huller med en masse i størrelsesordenen titusindvis af solmasser. Da holdet imidlertid behandlede dataene fra signalet S251112cm, viste det sig, at den ene deltager i kollisionen har en masse på omkring 0,87 solmasser. Et så let objekt kan ifølge nuværende modeller ikke dannes ved sammenbrud af en stjernekerne.
Forskerne undersøgte først de mere klassiske forklaringer. Hvis der var tale om en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, burde de også have opfanget et glimt i gammastråler, røntgenområdet eller i det mindste synligt lys. En grundig gennemgang af himlen gav dog intet ledsagende signal. Astronomerne stod dermed tilbage med et langt mere eksotisk scenarie.
Hvor stort er et sort hul med en masse mindre end Solen
Objekter med en masse sammenlignelig med vores stjerne kender vi primært som meget tætte neutronstjerner. Et klassisk sort hul dannet ved sammenbrud af en massiv stjerne er ifølge modellerne betydeligt tungere — det kræver mindst omkring tre solmasser.
For et objekt med en masse på 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med mellemstore byer. Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være cirka fem kilometer. Det er en afstand, man komfortabelt kan løbe på en halv time — og alligevel taler vi om at presse næsten hele solens masse ind i det rum.
At skabe noget så ekstremt kræver betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik simpelthen ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse ved blot at kollapse en stjernekerne. Derfor retter forskernes opmærksomhed sig i en helt anden retning.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter blikket dybt ind i fortiden — til en tid, da universet var mindre end en milliontedel sekund gammelt. I denne periode opførte stof sig anderledes end i dag: det såkaldte kvark-gluon-plasma dominerede, og densiteter og temperaturer nåede ufattelige værdier.
Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale densitetsfluktuationer i et sådant miljø kunne kollapse under deres egen vægt og skabe en population af miniature sorte huller. Disse objekter fik navnet ursort huller.
Holdet foreslår, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra forbundet med kvantefarvodynamikkens fysik, få mikrosekunder efter Big Bang. Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm udgøre det første håndgribelige bevis på, at sådanne dannelser faktisk overlevede frem til i dag. Det ville betyde, at universet begyndte at producere sorte huller allerede i sine første øjeblikke — i et omfang, der hidtil kun er blevet diskuteret i ligninger.
Forskerne understreger, at sådanne betingelser aldrig har eksisteret siden. Kun i den tidligste fase af Big Bang kunne ekstrem densitet og tryk skabe kompakte objekter med masser under én solmasse. Klassiske processer i stjerner tillader simpelthen ikke en så effektiv komprimering.
Kan mørkt stof være et hav af miniature sorte huller
Puslespillet bliver endnu mere interessant, når forskerne forbinder denne kandidat til et ursort hul med problemet om mørkt stof. I årtier har vi vidst, at synlig materie — stjerner, gas, støv — kun udgør en lille del af det kosmiske regnskab. Cirka 85 procent udgøres af en usynlig komponent, der kun manifesterer sig via tyngdekraft.
Hidtil har mange forskergrupper ledt efter partikler, der er ansvarlige for denne manglende bestanddel, eksempelvis WIMP’er detekteret i underjordiske laboratorier. Søgen har ikke givet entydige resultater, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer.
- Ursort huller kunne udgøre en væsentlig del af det mørke stof
- Disse objekters masseinterval svarer til de observerede tyngdekraftpåvirkninger
- Detektorerne LIGO og Virgo kunne gradvist kortlægge deres population
- Der ville ikke være behov for at lede efter eksotiske partikler i acceleratorer
- Fordelingen af sorte huller ville forklare strukturen i galaktiske haloer
- Massesignaturen stemmer overens med visse teoretiske modeller
- Det samlede kosmiske regnskab ville endelig give mening uden mystiske partikler
Hvis ursort huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med det rette masseinterval, kan de udgøre en betydelig del — måske endda hele — af det mørke stof. Den nye analyse antyder, at det detekterede objekt passer ind i et sådant scenarie. I denne vision består mørkt stof ikke af eksotiske partikler, vi ikke kan registrere, men af utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden de tidligste epoker.
Et lovende signal fælder endnu ikke den endelige dom
På trods af begejstringen dæmper en del forskere forventningerne. Skøn angiver, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent, men fortolkningen kræver forsigtighed. Der eksisterer stadig mere komplekse scenarier forbundet med systemer af flere objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Holdet betegner derfor foreløbig objektet som en “kandidat” til et ursort hul. For at fysikerne kan gå fra et forslag til en solid konklusion, har de brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne i LVK-netværket spiller en afgørende rolle her — detektorerne opnår stadig højere følsomhed, så chancen for yderligere registreringer vokser hvert år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en interessant hypotese til et nyt kapitel i kosmologien. Hvis flere uafhængige hændelser bekræfter eksistensen af en hel klasse sorte huller med en masse under én solmasse, vil fysikerne være nødt til at omskrive de kapitler i lærebøgerne, der omhandler Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur.
Sådan fungerer en gravitationsbølgedetektor
For bedre at forstå vægten af det aktuelle signal er det nyttigt at vide, hvad LIGO eller Virgo egentlig måler. Det drejer sig om anlæg, hvor en laserstråle løber i to vinkelrette arme og reflekteres fra spejle, der er adskilt af flere kilometer. Når en gravitationsbølge passerer detektoren, komprimerer den den ene akse en smule og forlænger den anden.
Ændringen i armenes længde er mindre end en brøkdel af en protons diameter, men avanceret interferometrisk teknik gør det muligt at opfange den. Ud fra formen på den registrerede gravitationsbølge aflæser forskerne masse, afstand og typen af de kolliderende objekter.
- Signalets varighed informerer om parrets komponentmasser
- Amplituden omregnes til kildens afstand
- Slutfrekvensen hjælper med at estimere det dannede objekts masse
- Fraværet af et lyssignal letter udelukkelsen af neutronstjerner
- Målingens præcision når en opløsning mindre end en atomkerne
- Et netværk af tre detektorer muliggør triangulering af positionen på himlen
I tilfældet S251112cm satte alle disse elementer sig sammen til et billede af et system, hvor den ene deltager har en usædvanlig lav masse. Netop denne detalje vakte så stor interesse i forskersamfundet.
Hvad en bekræftelse af ursort huller ville betyde
Hvis yderligere observationer understøtter fortolkningen fra Cappelluti og Magaraggia, venter en række konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at undersøge ultratidlige epoker, betydeligt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske baggrundsstråling stammer. Ursort huller ville fungere som prober, der bevarer betingelserne fra universets første mikrosekunder.
Teorien om galaxiedannelse ville ligeledes kræve korrektioner. En yderligere population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, materie samler sig på, hvordan halos af mørkt stof vokser, og hvordan de første stjerner dannes. For partikelfysikere er det også et vigtigt signal om, at søgen efter eksotiske partikler muligvis har mindre spillerum, hvis sorte huller spiller den dominerende rolle.
Forskere fra forskellige universiteter forbereder allerede nye observationsstrategier. Gravitationsbølgedetektorerne vil i de kommende år gennemgå opgraderinger, der øger deres følsomhed med op til en størrelsesorden. Det bør gøre det muligt at opfange snesevis af lignende signaler og endeligt bekræfte eller afkræfte hypotesen om ursort huller. Det ville ikke være første gang, gravitationsbølger omskrev vores forståelse af universet — måske står vi netop nu på tærsklen til endnu et gennembrud i astrofysikken.
