Et signal fra universets allerførste øjeblikke
Astrofysikere fra USA har opfanget gravitationsbølger, der sandsynligvis stammer fra et sort hul, som opstod i de første øjeblikke efter Big Bang. Objektet vejer mindre end Solen — og det modsiger alt, hvad videnskaben hidtil har vidst om sorte huller.
Hvis denne fortolkning bekræftes, har vi for første gang i historien et konkret spor efter et såkaldt primordialt sort hul — en levning fra universets allerførste sekund. Det kan bogstaveligt talt omskrive kosmologiens lærebøger.
Forskerne Alberto Magaraggia og Nico Cappelluti fra University of Miami analyserede data fra detektoren LIGO og nåede frem til et bemærkelsesværdigt resultat: et specifikt signal, betegnet som S251112cm, peger på eksistensen af disse eksotiske objekter. Det er ikke blot teori — der er tale om et målbart, konkret signal.
Et sort hul, der ikke behøvede nogen stjerne
Den klassiske dannelse af et sort hul kender de fleste fra grundlæggende astrofysik. 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. Derfor har sådanne objekter typisk en masse på fra få til titals solmasser.
Med det nye signal er det anderledes. Objektet, der kolliderede med et andet legeme og dermed skabte de opfangede gravitationsbølger, har en masse, der er markant lavere end Solens. Teoretisk set burde det ikke eksistere — medmindre det ikke opstod fra en stjerne, men på en helt anden måde.
Den mest sandsynlige forklaring er et primordialt sort hul, der opstod under ekstreme forhold kort efter Big Bang — endnu inden de første stjerner overhovedet havde dannet sig. Sådanne objekter er kosmiske fossiler fra universets første sekund.
Ifølge teorien kan de være opstået fra usædvanligt tætte klumper af subatomær materie, der dannedes i et hurtigt ekspanderende og brændende hedt rum. De krævede ingen stjerne, ingen supernovaeksplosion — kun ren, ekstrem tæthed.
Derfor gør massen hele forskellen
De sorte huller, som astronomer normalt observerer, falder inden for to typiske masseintervaller. Den første gruppe omfatter objekter med nogle få til titals solmasser — rester efter massive stjerner. Den anden gruppe indeholder millioner til milliarder af solmasser — kæmpestore sorte huller i centrum af galakser.
Objektet antydet i det nye signal ligger markant under den nedre grænse for begge kendte kategorier. Det eliminerer i praksis det klassiske stjernescenarie og åbner op for konceptet om primordiale sorte huller.
Astrofysikerne sammenlignede den forventede forekomstfrekvens af sådanne objekter med reelle data fra LIGO, der har indsamlet målinger siden 2015. Signalets sjældenhed stemmer godt overens med de teoretiske modeller for primordiale sorte huller — det dukker op præcis så sporadisk, som det burde, hvis disse objekter faktisk eksisterer.
Forskerne fremhæver seks centrale karakteristika ved signalet S251112cm:
- Objektets masse er under én solmasse
- Forekomstfrekvensen svarer til teoretiske forudsigelser
- Gravitationsbølgens form afviger fra standardkollisioner
- Fraværet af elektromagnetisk stråling, som er typisk for stjernedannede sorte huller
- Overensstemmelse med modeller for universets tidlige inflationsfase
- Lavt signal-støj-forhold, der kræver sofistikeret analyse
Sådan “hører” LIGO universet via gravitationsbølger
Bag hele opdagelsen står LIGO — det amerikanske observatorium for gravitationsbølger, der måler mikroskopiske vibrationer i rummet, som opstår ved kollisioner mellem ekstremt massive objekter. I 2015 registrerede LIGO for første gang et signal fra en kollision mellem sorte huller, hvilket udløste en nobelprisbelønnet revolution inden for astronomien.
Nu opfanger det samme instrument noget langt mere subtilt. Signalet S251112cm skiller sig ud ved sin masse, som ikke lader sig placere i nogen kendte kategorier. De to forskere fra University of Miami analyserede dataene og peger på et primordialt sort hul som den mest konsistente forklaring.
LIGO har bevist, at det ikke blot kan registrere spektakulære kollisioner mellem massive sorte huller, men også spore langt lettere og mere eksotiske objekter, skjult i støjen fra data. Laboratorierne i Hanford og Livingston anvender laserinterferometere med arme, der er fire kilometer lange.
Ét signal er dog ikke nok til at afgøre sagen. Sådanne fund kan have alternative forklaringer, og astrofysikere er kendt for deres forsigtighed. Forskerne erkender åbent, at de for en solid bekræftelse har brug for adskillige — helst mere end ti — lignende hændelser. Alligevel viser den blotte kendsgerning, at instrumenterne overhovedet opnår en sådan følsomhed, at et helt nyt forskningsområde er ved at åbne sig.
Kan primordiale sorte huller være universets skjulte masse?
Her stopper det ikke. Hvis signalet virkelig stammer fra et primordialt sort hul, berører vi et problem, som fysikere har kæmpet med i årtier — den såkaldte mørke materie.
Observationer af stjerner og galaksers bevægelser viser, at der mangler enorme mængder masse i universet. Alt, hvad vi kan se — stjerner, planeter, gas, støv — udgør kun omkring femten procent af det, der er nødvendigt for at forklare universets gravitationelle adfærd. Resten udgøres af usynlig materie, der hverken lyser eller reflekterer lys, men tiltrækker gravitationelt.
En af hypoteserne siger, at en betydelig del af denne manglende masse kan bestå af netop primordiale sorte huller, spredt ud i rummet som mikroskopiske, usynlige kugler af masse. Hvis LIGO virkelig er begyndt at registrere sådanne objekter, er det mere end blot en kuriositet.
Forskerne får et redskab til at tælle dem og estimere, hvad de tilsammen vejer. Hver ny hændelse vil hjælpe med at besvare spørgsmålet, om primordiale sorte huller kan forenes med observationer af galakser, galaksehobe og det kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Astrofysikere fra Stanford University og MIT samarbejder om at opbygge kataloger over disse objekter. Forskere fra Caltech forfiner algoritmer til filtrering af signaler. Teoretikere fra University of Cambridge videreudvikler modeller for deres dannelse.
Hvad LISA og næste generation af detektorer kan bringe
LIGO er ikke det eneste instrument på horisonten. Den Europæiske Rumorganisation ESA udvikler projektet LISA — en rumbaseret detektor for gravitationsbølger. Tre satellitter skal tilsammen danne et gigantisk trekantet 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 kilder. For primordiale sorte huller kan det blive et gennembrud — nogle af dem, særligt dem i par, kan generere bølger, der er ideelt tilpasset den rumbaserede interferometers følsomhed.
Projektet LISA involverer et samarbejde mellem ESA og NASA. Interferometerets arme vil være to og en halv million kilometer lange. Missionen ledes af forskere fra European Space Technology Centre i Nederlandene. Testsatellitten LISA Pathfinder har allerede gennemført sin verifikationsmission med succes.
Hvordan man forestiller sig et så lille sort hul
Et sort hul, der er lettere end Solen, lyder abstrakt — så det er værd at sætte det i perspektiv. Hvis der eksisterede et primordialt sort hul med massen af en stor asteroide, ville det have en størrelse tæt på en fodbold, måske endnu mindre. Alligevel ville dets tyngdekraft overgå tyngdekraften fra et helt bjerg, og nær begivenhedshorisonten ville end ikke et lysglimt undslippe.
Sådanne objekter er praktisk talt usynlige for klassiske teleskoper. De lyser ikke, de reflekterer ikke lys — de kan sommetider afsløre sig selv ved at bøje banen for lysstråler, der passerer bag dem, eller — som i dette tilfælde — ved at udsende gravitationsbølger ved kollision med en anden masse.
Begivenhedshorisonten for et sådant sort hul ville have en diameter på nogle få centimeter til meter. Tætheden ville nå værdier sammenlignelige med en atomkerne. Et objekt med halvdelen af Solens masse ville kunne rummes i en kugle på størrelse med København.
Hvad ét atypisk fund betyder for fremtidens forskning
Selv om signalet S251112cm kræver bekræftelse, påvirker det allerede den måde, forskere planlægger fremtidig forskning på. Arkivdata gennemgås nu med blik for lignende, tidligere oversete hændelser. Teoretiske teams færdiggør modeller, der forudsiger, hvordan kollisioner mellem primordiale sorte huller af forskellig masse præcist bør se ud.
For os som almindelige iagttagere viser hele historien, hvor hurtigt astronomien forandrer sig. For blot ti år siden var gravitationsbølger kun et begreb fra Einsteins ligninger. I dag er de et redskab til at undersøge de mest utilgængelige epoker i universets historie — dem, intet optisk eller radioteleskop nogensinde vil kunne vise os.
Hvis de kommende år bringer flere lignende signaler, kan begreber som primordialt sort hul eller mørk materie ophøre med at lyde som ren teori. Med tiden kan de blive en del af konkrete objektkataloger med beskrevne masser, kollisionsfrekvenser og indflydelse på galaksernes udvikling. Og så vil spørgsmålene om begyndelsen på alt det, der omgiver os, begynde at have langt mere målbare, numeriske svar.
