Et usædvanligt signal fra verdensrummet sætter spørgsmålstegn ved kendte teorier
Forskere bag detektorerne LIGO, Virgo og Kagra har registreret et bemærkelsesværdigt gravitationsbølgesignal. Analysen tyder på, at et af de to kollisionsobjekter var lettere end Solen — alt for lille til at passe ind i nogen kendt type sort hul.
Det hele begyndte med registreringen af et signal betegnet som S251112cm. Det er endnu en tilføjelse til kataloget over gravitationsbølger — krusninger i rumtiden skabt ved kollisioner mellem ekstremt massive objekter, oftest sorte huller eller neutronstjerner.
For holdet bag LVK-netværket (LIGO-Virgo-Kagra) er det næsten en hverdagsbegivenhed. Men denne gang passer noget åbenlyst ikke. Et af de to kollisionsobjekter havde en masse på blot mellem 0,1 og 0,87 solmasser.
Dataene viser med en sandsynlighed på over 99 procent, at mindst ét af objekterne vejede mindre end Solen. Et sådant scenarie passer ikke ind i standardmodellerne for stjernernes udvikling.
Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul
For at et typisk sort hul opstår, skal en massiv stjerne afslutte sit liv i en spektakulær katastrofe. Kernen kollapser under sin egen vægt, og de ydre lag kastes ud i en supernova. Fysikken bag sådanne kollaps sætter imidlertid en nedre grænse for et sort huls masse.
Den teoretiske nedre grænse for et stjernebaseret sort huls masse er cirka tre solmasser. Det typiske masseinterval for stellare sorte huller ligger fra et par til et par dusin solmasser. Hændelsen S251112cm indikerer et objekt med en masse på under én solmasse.
Nuværende modeller for stjernernes udvikling er klare: en almindelig stjerne kan ikke skabe et sort hul så lille som det, gravitationsbølgeanalysen antyder. Hvis signalet virkelig stammer fra et miniaturiseret sort hul, måtte det være opstået på en helt anden måde. Her træder de såkaldte primordialessorte huller ind på scenen — teoretiseret i årtier af blandt andre Stephen Hawking.
Ursort huller opstod få brøkdele af et sekund efter Big Bang
I modsætning til klassiske sorte huller dannes primordialessorte huller ikke fra stjerner. Deres oprindelse går tilbage til brøkdele af sekunder efter Big Bang. I det meget unge univers herskede ekstreme betingelser: ufattelige temperaturer, densiteter og voldsomme fluktuationer i stoffordelingen.
I visse områder kunne stof ophobe sig så tæt, at et lokalt tyngdekraftsfelt kollapsede uden nogen stjernes medvirken og øjeblikkeligt skabte et sort hul. Det scenarie, forskerne forestiller sig, forudsætter, at objektet opstod under en fase knyttet til kvantkromodynamik, blot få mikrosekunder efter universets begyndelse — i en epoke, hvor almindelige stjerner endnu slet ikke eksisterede.
Hvis fortolkningen er korrekt, kan LVK for første gang have registreret et signal fra kollisionen af et sådant ursort hul med et andet objekt. Det viser, at gravitationsbølger ikke blot er et redskab til at studere eksotiske stjerner, men også universets allerførste øjeblikke.
Hvad betyder et sort hul med en masse på 0,87 solmasser egentlig?
Tallet lyder ikke dramatisk lille — indtil man ser på dets størrelse. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt. Dets diameter ville være på cirka fem kilometer. Vi taler om noget med en masse sammenlignelig med Solens, pakket ned i et område på størrelse med en mellemstor by.
Så ekstreme densitetsbetingelser synes kun mulige i tiden umiddelbart efter Big Bang, da stof gennemgik voldsomme faseskift. Det er en af grundene til, at primordialessorte huller netop forbindes med universets første brøkdele af et sekund.
Kan mørk stof være en sky af mini-sorte huller?
Hvis fortolkningen af S251112cm-signalet som spor efter et primordialt sort hul holder, rækker konsekvenserne langt ud over blot klassificeringen af et eksotisk objekt. Spørgsmålet om mørk stofs natur træder ind i billedet.
Astronomer har i årevis vidst, at synligt stof — stjerner, gas, støv — kun udgør en lille del af det kosmiske puslespil. En yderligere masse, som ikke kan ses i noget bølgelængdeinterval, påvirker adfærden af galakser, galaksehobe og store kosmiske strukturer. Denne usynlige masse blev kaldt mørkt stof.
I årtier søgte man efter hypotetiske nye partikler, fra de berømte WIMP'er til eksotiske lette bosoner. Men yderligere eksperimenter i underjordiske partikeldetektorer endte med tavshed. I denne sammenhæng begyndte mini-sorte huller at lyde stadig mere overbevisende som et alternativ.
Analysen antyder, at med det rette antal og den rette massefordeling kunne primordialessorte huller forklare en betydelig del — potentielt al — mørk stof, uden at det kræver indførelse af helt nye elementarpartikler. I dette scenarie ville universet være fyldt med bittesmå sorte huller, spredt diskret i galaksernes halos og det intergalaktiske rum.
Her er nogle centrale fakta om hele emnet:
- LIGO i USA — to detektorer, der som de første registrerede gravitationsbølger i 2015
- Virgo — europæisk interferometer, der øger præcisionen ved lokalisering af kilder på himlen
- Kagra — japansk detektor nedkølet til meget lave temperaturer, bygget i en tunnel under et bjerg
- Den teoretiske nedre grænse for et stjernebaseret sort huls masse er tre solmasser
- Diameteren af et sort hul med en masse på 0,87 solmasser ville være cirka fem kilometer
- Data viser med over 99 procents sandsynlighed, at objektet vejede mindre end Solen
- Stephen Hawking teoretiserede om primordialessorte huller igennem årtier
Forskerne forbliver forsigtige og afventer et nyt lignende signal
På trods af den åbenlyse begejstring i forskningsmiljøet bevarer videnskabsfolkene deres distancerede overblik. Analysen er offentliggjort på serveren arXiv og indsendt til et anerkendt tidsskrift, men er endnu ikke igennem fagfællebedømmelse. Forskerne taler åbent om en kandidat til et primordialt sort hul.
Det skal stadig verificeres, om signalet ikke kan forklares anderledes — for eksempel som effekten af komplekse vekselvirkninger i usædvanligt tætte stjernehobe. I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne multiple systemer, hvor en serie kollisioner og indfangninger genererer komplicerede gravitationsbølger.
Foreløbig tyder alt på, at fortolkningen med et primordialt sort hul er den enkleste og stemmer bedst overens med dataene. Fysikerne har dog brug for ét afgørende element mere: gentagelse. Hvis LVK-detektorerne under den igangværende kampagne registrerer et andet, lignende signal med et objekt under solmassen, vil hypotesen om primordialessorte huller få en helt anden vægt.
Hvordan fungerer detektorer, der lytter til rumtiden?
Gravitationsbølger er mikroskopiske krusninger i selve rumtidens struktur. For at registrere dem byggede videnskabsfolk gigantiske interferometre — apparater der måler minimale afstandsændringer mellem spejle placeret i tunneler af flere kilometers længde. LIGO i USA, Virgo i Italien og Kagra i Japan udgør i dag et globalt netværk af ører, der lytter efter fjerne kosmiske katastrofer.
Når en gravitationsbølge passerer gennem Jorden, forkorter den forsigtigt den ene arm af interferometeret og forlænger den anden. Ændringen er mindre end en protons diameter, men det følsomme apparat kan registrere den. Takket være samarbejdet mellem de tre instrumenter kan forskerne ikke blot måle bølgernes form, men også rekonstruere parametrene for de objekter, der fremkaldte dem: masse, afstand og endda rotation.
Netop denne metode gjorde det muligt at fastslå, at hændelsen S251112cm involverede et objekt med en masse under solmassen. I en simpel analogi kan en gravitationsbølge sammenlignes med en bølge på vandet — dog ikke i vand, men i selve rummets struktur. Når enorme masser som sorte huller kredser om hinanden og kolliderer, rystes rumtiden så intenst, at effekten af denne storm når frem til os milliarder af lysår borte.
Hvad vil de kommende års forskning i mini-sorte huller bringe?
Hvis fortolkningen af det primordialessorte hul overlever kritikken, kan man i de kommende år forvente en offensiv af nye studier. Astronomer vil gennemsøge arkiverne fra tidligere LVK-kampagner for at finde yderligere oversete signaler med objekter under solmassen. Samtidig vil teoretikere begynde at tilpasse modeller for primordialessorte hulers dannelse til de nye begrænsninger.
Spørgsmål som: hvor hyppigt kunne de opstå, hvilken typisk masse tager de, og om deres population virkelig kan forklare mørkt stof — alt dette kræver korrektioner af scenarierne for det unge univers' evolution, herunder de meget tidlige faseskift i stof.
Hvis mørkt stof viser sig blot at være en sky af mini-sorte huller, ville det ændre den måde, fremtidige rummissioner planlægges på, prognoser for signaler i neutrinodetektorer og design af eksperimenter med elementarpartikler. En del af de planlagte dyre anlæg kunne miste deres mening, og nye ideer mere fokuseret på gravitationsbølgeastronomi ville træde frem i stedet.
Det er værd at præcisere: mørkt stof opsluger ikke energi fra stjerner og udgør ingen direkte trussel mod Jorden. Dets indvirkning er praktisk talt udelukkende gravitationel. Hvis det består af mini-sorte huller, er deres tæthed i vores nærhed så lille, at chancen for et tæt møde med ét af dem i hele menneskehedens historie er ubetydelig.
Langt mere interessante er de langsigtede erkendelsesmæssige gevinster. Hvert nyt registreret signal med deltagelse af så små sorte huller giver en mulighed for at teste gravitationsteorier i et ekstremt regime. Det kan pege på, hvor man skal søge ny fysik ud over den generelle relativitetsteori og standardmodellen for partikler — og netop fra sådanne tilsyneladende hermetiske forskningsområder opstår ofte de teknologier, der år senere trænger ind i hverdagslivet.
