Et usædvanligt signal afslører et objekt, der ikke burde eksistere
Et mærkeligt gravitationsbølgesignal har afsløret et objekt så let, at det ikke passer ind i nogen kendte modeller for stjernedannelse. Eksperter overvejer nu, om det kan være et spor fra universets allerførste mikrosekunder efter Big Bang.
Forskere fra teamet LIGO–Virgo–Kagra analyserede optagelsen af en kollision mellem to kompakte objekter, betegnet som S251112cm. Da de beregnede masserne af deltagerne i denne kosmiske sammenstød, viste det sig, at et af dem vejer mindre end Solen. Ifølge klassisk astrofysik kan et sådant sort hul stort set ikke eksistere. Netop derfor siger en del forskere i dag, at vi måske ser det første spor af et såkaldt primordielt sort hul, dannet kort efter Big Bang.
Gravitationsbølger er et afgørende redskab for astronomer til at observere universet. Mens de fleste hidtidige opdagelser har omhandlet sorte huller med masser på adskillige solmasser, er dette tilfælde bemærkelsesværdigt på grund af sin forbavsende lethed. En sådan opdagelse kan ændre vores forståelse af det tidlige univers og måske løse mysteriet om mørk materie.
Hvordan gravitationsbølger afslørede et kosmisk mysterium
Det hele begynder med en tilsyneladende rutinemæssig registrering af gravitationsbølger via detektornetværket bestående af LIGO, Virgo og den japanske Kagra. Disse gigantiske interferometre måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle forårsaget af gravitationsbølgers passage gennem Jorden. De fleste sådanne signaler stammer fra kollisioner af sorte huller med masser på adskillige titusinder af solmasser.
Men denne gang afslørede analysen af hændelsen S251112cm noget usædvanligt. Et af de to sammensmeltet objekter har en masse i intervallet fra en tiendedel op til lidt under én solmasse. Et så let sort hul passer ikke ind i rammen for kendte processer i stjernernes evolution.
Forskerne undersøgte straks mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision af neutronstjerner eller hvide dværge, ville det også skulle registreres i lys — i form af gammastråling, røntgenstråling eller i det mindste i det optiske spektrum. Søgningen efter et ledsagende lysglimt gav intet resultat. Dermed stod et langt mere eksotisk scenarie tilbage som den mest sandsynlige mulighed.
Et sort hul mindre end en dansk by
Objekter med en masse tæt på Solens, som vi kender fra astronomiske kataloger, er som regel meget tætte neutronstjerner. Et typisk sort hul, der dannes ved kollaps af en massiv stjerne, er langt tungere — ifølge nuværende modeller skal det som minimum have cirka tre solmasser. For astrofysikere er et objekt med en masse på 0,87 solmasser derfor en absolut undtagelse.
For et objekt i størrelsesordenen 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en mellemstor dansk by. Diameteren af en sådan rums-tidsfælde ville være cirka fem kilometer — en afstand man sagtens kan løbe på en halv time. Og alligevel taler vi om at pakke næsten hele Solens masse ind i den skala.
At skabe noget så ekstremt kræver betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse via en normal kernekollaps. Det er netop derfor, at forskerne vender blikket mod universets tidligste epoker.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Forfatterne af den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter derfor blikket langt tilbage i fortiden — til en tid, da universet var yngre end en milliontedel af et sekund. I denne periode opfører materie sig anderledes end i dag: det såkaldte kvark-gluon-plasma dominerer, og både tæthed og temperatur er ubegribelige.
Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsfluktuationer i et sådant miljø kunne kollapse under deres egen vægt og danne en hel population af miniature sorte huller. De fik betegnelsen primordielle sorte huller. Teamet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra, der er forbundet med kvantefarvekrodynamikkens fysik, et par mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm udgøre det første håndgribelige bevis på, at sådanne strukturer faktisk har overlevet til vores tid. Det ville betyde, at universet allerede i sine allerførste øjeblikke begyndte at producere sorte huller i et omfang, der hidtil kun er blevet diskuteret i ligninger. For kosmologer ville det være en revolutionerende opdagelse.
- Signalets varighed fortæller om masserne af parets to komponenter
- Amplituden oversættes til kildens afstand fra Jorden
- Slutfrekvensen giver mulighed for at estimere massen af det dannede objekt
- Fraværet af et lyssignal hjælper med at udelukke neutronstjerner
- Formen af det registrerede signal afslører typen af de kolliderende objekter
- Interferometriteknikken registrerer ændringer mindre end en brøkdel af en protons diameter
- Detektorerne hos LIGO har arme på flere kilometers længde
- Virgo i Italien og Kagra i Japan udgør et globalt netværk
Kan mørk materie være et hav af miniature sorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere interessant, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordielt sort hul med problemet om den såkaldte mørke materie. Det er gennem årtier blevet fastslået, at synlig materie — stjerner, gas og støv — kun udgør en lille del af det kosmiske masseregnskab. Cirka 85 procent udgøres af en usynlig komponent, der kun giver sig til kende via tyngdekraften.
Mange grupper har hidtil søgt efter partikler, der kan forklare denne manglende komponent — for eksempel WIMPer registreret i underjordiske detektorer. Disse søgninger har endnu ikke givet et entydigt resultat, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer. Hvis primordielle sorte huller eksisterer i tilstrækkelig mængde og med den rette massefordeling, kan de udgøre en væsentlig del — måske endda hele — den mørke materie.
Den nye analyse antyder, at det registrerede objekt passer ind i et sådant scenarie. Massesignaturen stemmer overens med forudsigelserne fra visse modeller for populationer af primordielle sorte huller. I denne vision er mørk materie ikke eksotiske partikler, vi ikke kan pege på, men utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden de tidligste epoker. For partikelfysikken ville det betyde et snævrere råderum for at søge efter nye elementarpartikler.
Signalet er lovende, men ikke afgørende endnu
Trods begejstringen dæmper en del forskere forventningerne. Estimaterne viser, 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 mange objekter i tætte stjernehobe, som kan generere atypiske signaler.
Derfor betegner teamet indtil videre objektet som en kandidat til et primordielt sort hul. For at bevæge sig fra et forslag til en stærk konklusion har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne i LVK-netværket er her af afgørende betydning — detektorerne opnår stadig højere følsomhed, og chancerne for yderligere registreringer vokser hvert år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne omdanne den spændende hypotese til et nyt kapitel inden for kosmologien. Hvis flere uafhængige hændelser bekræfter eksistensen af en hel klasse af subsolære sorte huller, vil fysikere skulle omskrive lærebøgernes kapitler om Big Bang, tidlig kosmologi og mørk materies natur. Det ville være en epokegørende opdagelse på niveau med opdagelsen af gravitationsbølgerne selv.
Hvad ville en bekræftelse af primordielle sorte huller ændre?
Hvis yderligere observationer understøtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter der os en række konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at studere ultratidlige epoker — langt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling stammer. Primordielle sorte huller ville fungere som sonder, der husker de betingelser, der herskede i universets første mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve korrektioner. En ekstra population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, hvorpå materie samler sig, hvordan haloer af mørk materie vokser, og hvordan de første stjerner dannes. Man kan bruge et enkelt billede: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvori bobler konstant stiger op og synker ned igen.
I det meget tidlige univers var sådanne bobler fortætninger af materie. De fleste af dem opløste sig, efterhånden som universet udvidede sig, men nogle var så tætte, at de kollapsede under deres egen vægt og dannede sorte huller. I de efterfølgende milliarder år ville sådanne objekter kredse næsten usynligt mellem og inden i galakser og lejlighedsvis kollidere med hinanden. Det er netop ved sådanne sjældne kollisioner, at gravitationsbølger opstår — bølger, som jordbaserede detektorer registrerer i dag. Hvert sådant signal fungerer dermed som et postkort sendt fra universets allerførste øjeblikke og bringer oplysninger om forhold, der på ingen anden måde kan observeres.
