Astrofysikere i USA har registreret et usædvanligt gravitationssignal, der muligvis stammer fra et sort hul opstået få sekunder efter Big Bang. Objektet har en masse lavere end Solens, hvilket modsiger alt, vi kender til almindelige sorte huller.
Ifølge foreløbige analyser drejer det sig om et objekt med en masse mindre end Solens, hvilket strider imod det, videnskaben ved om typiske sorte huller. Hvis fortolkningen holder, ser vi på det første spor nogensinde af et såkaldt primordielt sort hul – en relik fra universets første sekund.
Standard scenariet for dannelse af sorte huller er velbeskrevet i lærebøgerne. I slutningen af sin levetid kollapser en massiv stjerne under sin egen vægt, eksploderer som en supernova, og dens centrum omdannes til et sort hul. Derfor overstiger massen af sådan et objekt typisk Solens masse betydeligt.
Med det nye signal er det anderledes. Objektet, som kolliderede med et andet og skabte de registrerede gravitationsbølger, har en masse tydeligt lavere end Solens. Teoretisk burde det altså ikke eksistere – medmindre det ikke opstod fra en stjerne, men på en helt anden måde.
Hvorfor kan dette sorte hul stamme fra tiden før stjernerne
En mulig forklaring er et primordielt sort hul, som blev født under ekstreme forhold lige efter Big Bang, før de første stjerner overhovedet dannedes. Sådanne objekter er kosmiske fossiler fra universets første sekund. Ifølge teorien kunne de vokse ud af meget tætte klumper af subatomær materie, opstået i det varme, ekstremt hurtigt ekspanderende rum.
De krævede ingen stjerne, ingen supernovaeksplosion – kun ekstrem tæthed. Forskere fra University of Miami, Alberto Magaraggia og Nico Cappelluti, har analyseret dataene og peger på et primordielt sort hul som den mest konsistente forklaring. Sådanne objekter repræsenterer en direkte forbindelse til universets allerførste øjeblikke.
Teoriene om primordiale sorte huller har eksisteret i årtier, men indtil nu har der manglet konkrete observationer. Signalet, der bærer betegnelsen S251112cm, kan være det første empiriske bevis for disse ekstremt sjældne objekter. Detektoren LIGO har vist, at den ikke kun kan registrere spektakulære kollisioner mellem massive sorte huller, men også spore meget lettere og mere eksotiske objekter, skjult i datastøjen.
Derfor gør massen hele forskellen på dette fund
Almindelige sorte huller, observeret af astronomer, har groft sagt to typiske masseintervaller. Det første interval spænder fra få til flere titalls Solmasser og stammer fra rester af massive stjerner. Det andet interval omfatter millioner til milliarder af Solmasser og vedrører giganter i galaksernes centre.
Objektet i det nye signal ligger tydeligt under den nedre grænse kendt fra sådanne tilfælde. Det gør, at det klassiske stjernescenarie praktisk talt falder bort, og konceptet om primordiale sorte huller træder frem. Astrofysikerne har sammenlignet den forventede forekomst af sådanne objekter med reelle data fra LIGO-detektoren, indsamlet siden 2015.
Sjældenheden af dette signal stemmer godt overens med teoretiske modeller for primordiale sorte huller. Med andre ord dukker det op præcis så sporadisk, som det burde, hvis disse objekter faktisk eksisterer. Listen over observationer vokser:
- Signalet S251112cm registreret af LIGO i USA
- Masse under Solens masse, atypisk for stjerneopståede sorte huller
- Kollisionsfrekvens matcher teoretiske modeller for primordiale objekter
- Ingen optiske eller radiobølgesignaturer, kun gravitationsbølger
- Analyse udført af forskere fra University of Miami
- Data sammenlignet med arkivmålinger fra LIGO siden 2015
- Potentiel sammenhæng med mørkt stof i universet
Ét sammenstød afgør ikke sagen. Sådan et signal kan have alternative fortolkninger, og astrofysikere er kendt for deres forsigtighed. Derfor indrømmer forskerne åbent, at der er brug for flere, helst ti eller flere lignende begivenheder, for at bekræfte fundet solidt. Alligevel åbner selve det faktum, at instrumenterne overhovedet når sådan en følsomhed, et nyt forskningsområde.
Kan primordiale sorte huller forklare det mørke stof i kosmos
Hvis signalet virkelig stammer fra et primordielt sort hul, rører vi ved et problem, som fysikere har kæmpet med i årtier – det såkaldte mørke stof. Fra observationer af stjernernes og galaksernes bevægelser fremgår det, at der mangler enorme mængder masse i kosmos. Alt, vi ser – stjerner, planeter, gas, støv – udgør kun omkring 15 procent af det, der skal til for at forklare universets gravitationelle adfærd.
Resten er usynlig materie, som hverken lyser eller reflekterer lys, men tiltrækker gravitationelt. Én hypotese siger, at en betydelig del af denne manglende masse kan udgøres af netop primordiale sorte huller, spredt i rummet som mikroskopiske, usynlige vægtklumper. Hvis LIGO faktisk er begyndt at registrere sådanne objekter, handler det ikke kun om en kuriositet.
Vidensmænd får et værktøj til at tælle dem og vurdere, hvor meget de samlet kan veje. Hver efterfølgende begivenhed vil hjælpe med at besvare spørgsmålet, om primordiale sorte huller kan forenes med observationer af galakser, galaksehobe eller den kosmiske baggrundsstråling. Observatoriet LIGO måler mikroskopiske vibrationer i rummet, der opstår ved sammenstød mellem ekstremt massive objekter.
I 2015 registrerede LIGO for første gang et signal fra en kollision mellem sorte huller, hvilket gav en Nobelpris-vindende revolution i astronomien. Nu opfanger det samme instrument noget langt mere subtilt. Signalet S251112cm skiller sig ud ved objektets masse, som ikke let kan passes ind i kendte kategorier.
Hvad kan LISA og næste generation af detektorer afsløre
LIGO er ikke det eneste instrument på horisonten. Den Europæiske Rumorganisation udvikler projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – en rumbaseret detektor af gravitationsbølger. Tre satellitter skal danne et gigantisk trekantet interferometer, der kredser om Solen. Opskydningen er planlagt til midten af 2030’erne.
LISA vil være følsom over for et andet frekvensområde end LIGO, hvilket betyder, at den vil opfange helt nye typer kilder. For primordiale sorte huller kan dette blive et gennembrud. Nogle af dem, især dem i par, kan generere bølger, der passer perfekt til det rumbaserede interferometers følsomhed. Kombinationen af LIGO på Jorden og LISA i rummet vil give forskerne et fuldstændigt billede af gravitationsbølge-universet.
Det kosmiske interferometer vil kunne registrere sammenstød mellem primordiale sorte huller i et meget bredere masseområde. Instrumentet vil også være i stand til at spore objekter længere tilbage i tiden, tættere på Big Bang selv. Dermed får astronomer adgang til perioder af universets historie, som ingen optiske eller radioteleskoper kan nå.
Hvordan forestiller man sig et så lille sort hul
Et sort hul lettere end Solen lyder lidt abstrakt, så det er værd at forankre det i noget mere håndgribeligt. Hvis der fandtes et primordielt sort hul med en masse som for eksempel en større asteroide, ville det have en størrelse tæt på en fodbold, måske endda mindre. Alligevel ville dets tyngdekraft overgå tyngdekraften af et helt bjerg, og i nærheden af begivenhedshorisonten ville selv en lysstråle ikke kunne undslippe.
Sådanne objekter er praktisk talt uopdagelige med klassiske teleskoper. De lyser ikke, reflekterer ikke lys, men kan indimellem forråde sig selv ved at bøje banen for lysstråler, der passerer bag dem, eller – som i dette tilfælde – udsende gravitationsbølger under sammenstød med en anden masse. Det gør dem ekstremt udfordrende at studere, men gravitationsbølge-astronomi har åbnet en helt ny mulighed.
Forskere kan nu registrere primordiale sorte huller indirekte gennem de rumtidsforstyrrelser, de skaber. Selv om disse objekter er mindre end en by, kan de rumme information om universets allerførste øjeblikke. De er som tidskapsuler fra Big Bang, forsegled i ekstrem tæthed og bevaret gennem milliarder af år.
Hvad betyder dette fund for fremtidens kosmologi
Selvom signalet S251112cm kræver bekræftelse, påvirker det allerede nu, hvordan videnskabsfolk planlægger fremtidige undersøgelser. Der påbegyndes udvælgelse af arkivdata med henblik på lignende, tidligere ignorerede hændelser. Teoretiske teams finpudser modeller, der forudsiger, hvordan sammenstød mellem primordiale sorte huller med forskellige masser præcist bør se ud.
For os almindelige observatører viser hele historien, hvor hurtigt astronomien ændrer sig. For blot et årti siden var gravitationsbølger kun et koncept fra Einsteins ligninger. I dag bliver de et værktøj til at udforske de mest utilgængelige faser i universets historie – dem, som intet optisk eller radioteleskop kan vise. Instrumenter som LIGO og fremtidige detektorer som LISA revolutionerer vores forståelse af kosmos.
Hvis de kommende år bringer flere lignende signaler, kan begreber som primordielt sort hul og mørkt stof ophøre med at lyde som ren teori. Med tiden vil de blive en del af konkrete objektkataloger med beskrevne masser, kollisionsfrekvenser og indflydelse på galaksers evolution. Og så vil spørgsmålene om oprindelsen af alt, der omgiver os, begynde at få langt mere numeriske, målbare svar.
