Et mystisk signal fra verdensrummet sætter forskerne i vildrede
Detektorerne LIGO, Virgo og Kagra har registreret et usædvanligt signal fra det ydre rum. Analysen antyder, at et objekt lettere end Solen deltog i en kollision – alt for lille til at være et almindeligt sort hul.
Et sådant scenarie passer simpelthen ikke ind i standardmodellerne for stjernernes udvikling. Og nu tales der i stigende grad om, at dette kunne være det første spor af et såkaldt primordialt sort hul, der opstod i universets allertidligste øjeblikke.
Et signal der ikke passer ind i nogen kendte modeller
Forskere, der arbejder med gravitationsbølgedetektorer, overvåger i dag snesevis af hændelser hvert år. Det drejer sig typisk om kollisioner mellem sorte huller eller neutronstjerner, der sædvanligvis har masser på fra nogle få til titals solmasser. Men i februar i år stødte teamet på et signal, der skiller sig markant ud.
Et af de objekter, der var involveret i kollisionen, havde en masse på blot 0,1 til 0,87 gange Solens masse. Astronomer havde simpelthen ikke forventet et så let sort hul fra et klassisk stjernekollaps.
Forskerne undersøgte straks de sædvanlige forklaringer. Det kunne måske være en neutronstjerne eller en hvid dværg. Problemet er, at detektorerne ved sådanne kollisioner normalt også opfanger elektromagnetisk stråling – gammastråler, røntgenlys eller efterglød i det synlige spektrum. Denne gang registrerede teleskoperne absolut ingenting. Der var kun gravitationsbølger tilbage, præcis som ved en typisk kollision mellem to sorte huller.
Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul
For at et klassisk sort hul kan opstå, skal en massiv stjerne afslutte sit liv i et dramatisk kollaps. Kernen falder sammen under sin egen tyngde, mens de ydre lag kastes ud i en supernova. Fysikken bag sådanne kollaps sætter en nedre grænse for, hvor let et sort hul kan være.
Den teoretiske nedre grænse for massen af et stjernebaseret sort hul er cirka tre solmasser. Det typiske masseinterval for sådanne sorte huller strækker sig fra nogle få til titals solmasser. Hændelsen, der er betegnet S251112cm, peger på et objekt med en masse under én solmasse. Data antyder med en sandsynlighed på over 99 procent, at mindst ét af objekterne vejede mindre end Solen.
Nuværende modeller for stjernernes evolution er klare: en almindelig stjerne kan ikke danne et sort hul så lille som det, gravitationsbølgeanalysen indikerer. Hvis signalet virkelig stammer fra et miniature sort hul, må det være opstået gennem en helt anden proces.
Ursorte huller ifølge Stephen Hawking
Her træder de såkaldte primordiale sorte huller ind på scenen – en teori som blandt andre Stephen Hawking teoretiserede over. I modsætning til klassiske sorte huller opstår de ikke fra stjerner. Deres oprindelse går tilbage til brøkdele af sekunder efter Big Bang.
I det ultrayderlige unge univers herskede ekstreme forhold: ufattelige temperaturer, tætheder og voldsomme fluktuationer i stoffordelingen. I visse områder kunne stof klumpe sig så tæt sammen, at det lokale tyngdefelt kollapsede uden nogen stjernes medvirken og øjeblikkeligt skabte et sort hul.
Forskerne foreslår, at objektet opstod under en fase forbundet med kvantefarvodynamik, blot mikrosekunder efter universets begyndelse – i en epoke, hvor almindelige stjerner slet ikke eksisterede endnu.
Hvis fortolkningen er korrekt, har LVK-netværket måske for første gang registreret et signal fra en kollision med netop sådan et ursort hul. Det viser, at gravitationsbølger ikke blot er et redskab til at studere eksotiske stjerner, men også universets allertidligste øjeblikke. Forskere fra University of California, European Southern Observatory og andre institutioner gennemgår nu en detaljeret analyse af alle signalparametre.
Et sort hul på størrelse med en by
Hvad betyder det egentlig, at et sort hul har en masse på 0,87 solmasser? Tallet lyder ikke dramatisk lavt, indtil man ser på dets størrelse. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt – dets diameter ville være cirka fem kilometer.
Forestil dig noget med en masse sammenlignelig med Solens, stuvet ned i et område på størrelse med en mellemstor by. Sådanne ekstreme tæthedsbetingelser synes kun mulige i tiden umiddelbart efter Big Bang, da stof gennemgik kraftige faseskifter. Teoretiske beregninger inden for tidlig kosmologi forudsiger objekter med netop sådanne parametre.
Astronomer er også interesserede i, hvordan sådanne minisorte huller har opført sig over milliarder af år. Nogle kan have slugt omgivende stof og vokset, mens andre er forblevet isolerede og praktisk talt uforandrede. Under alle omstændigheder burde de i dag eksistere spredt ud over hele universet.
Mørkt stof som en sky af minisorte huller
Hvis fortolkningen af signalet S251112cm som et spor af et primordialt sort hul bekræftes, rækker konsekvenserne langt ud over blot klassificeringen af et eksotisk objekt. Spørgsmålet om mørkt 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, der ikke kan ses i nogen del af spektret, påvirker galaksers, galaksehobenes og store kosmiske strukturers adfærd. De har kaldt det mørkt stof.
I årtier har man søgt efter hypotetiske nye partikler – fra de berømte WIMP’er til eksotiske lette bosoner. Men forsøg efter forsøg i underjordiske partikeldetektorer endte med tavshed. I denne sammenhæng er minisorte huller begyndt at lyde stadig mere overbevisende som et alternativ. Analysen antyder, at primordiale sorte huller med det rette antal og den rette massefordeling ville kunne forklare en betydelig del – eller måske hele – det mørke stof, uden at man behøver at introducere helt nye elementarpartikler.
I dette scenarie ville universet være fyldt med bittesmå sorte huller, diskret fordelt i galaksers haloer og det intergalaktiske rum. I hverdagen ville de forblive praktisk talt usynlige, men deres samlede tyngdekraftpåvirkning ville forklare den galakseadfærd, astronomer observerer. Forskere fra Massachusetts Institute of Technology, National Observatory i Arizona og den japanske detektor Kagra forbereder nu yderligere observationskampagner.
Forskerne holder begejstringen i ave – det er foreløbig en stærk kandidat
På trods af den mærkbare spænding i forskersamfundet opretholder videnskabsfolkene en kritisk distance. Analysen, der er offentliggjort på arXiv og indsendt til et prestigefyldt tidsskrift, gennemgår stadig peer review-processen. Forskerne taler direkte om en “kandidat” til et primordialt sort hul.
Det skal stadig verificeres, om signalet ikke kan forklares på anden vis – for eksempel som et resultat af komplekse vekselvirkninger i ekstremt tætte stjernehobe. I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne multiple systemer, hvor en række kollisioner og indfangninger genererer komplicerede gravitationsbølger.
Indtil videre peger alt på, at fortolkningen med det primordiale sorte hul er den enkleste og bedst passer til dataene – men fysikerne har brug for ét afgørende element mere: gentagelse. Hvis detektorerne i den igangværende kampagne registrerer et andet lignende signal med et objekt under Solens masse, får hypotesen om primordiale sorte huller en helt anden tyngde. Forskere fra Virgo-kollaborationen i Frankrig samt italienske forskningscentre i Pisa og Padova forbereder allerede protokoller til automatisk gennemsøgning af arkivdata.
Sådan lytter detektorerne LIGO, Virgo og Kagra til rumtiden
Gravitationsbølger er mikroskopiske rynker i selve rumtidens struktur. For at fange dem byggede forskerne gigantiske interferometre – apparater der måler minimale afstandsændringer mellem spejle placeret i tunneler flere kilometer lange.
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 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.
- LIGO – to detektorer i USA, der som de første registrerede gravitationsbølger i 2015
- Virgo – europæisk interferometer der øger præcisionen ved lokalisering af kilder på himlen
- Kagra – japansk detektor kølet ned til meget lave temperaturer, bygget i en tunnel under et bjerg
- Detektornetværket muliggør triangulering og præcis bestemmelse af signalets kildeposition
- Hver detektor anvender lasere og spejlsystemer i ultrachist vakuum
- Seismisk isolation beskytter instrumenterne mod jordvibrationer
- Aktive dæmpningssystemer kompenserer for mikrorystelser fra trafik og natur
- Data behandles af supercomputere, der kan evaluere millioner af parametre
Takket være samarbejdet mellem disse tre instrumenter kan forskerne ikke blot måle bølgernes form, men også rekonstruere parametrene for de objekter, der fremkaldte dem: masse, afstand og endda rotation. Det var netop denne metode, der muliggjorde konstateringen af, at hændelsen S251112cm involverede et objekt med en masse under Solens. Teknologier udviklet til LIGO har efterfølgende fundet anvendelse i optiske sensorer, præcisionsnavigation og medicinsk billeddannelse.
Hvad er en gravitationsbølge egentlig?
I en meget forenklet fremstilling kan den sammenlignes med en bølge på vand – men den breder sig ikke i vand, derimod i selve rummets struktur. Når enorme masser som sorte huller kredser om hinanden og kolliderer, “rynker” de rumtiden så intenst, at virkningen af denne storm kan nå milliardvis af lysår bort.
LIGO og de øvrige detektorer optager ikke et billede af objektet, men kun en præcis registrering af, hvordan længden af interferometerets arme ændrer sig. På baggrund af denne kurve tilpasser computeren den bedste kollisionsmodel og uddrager information om de involverede objekters masser og typer. Dataanalysemetoderne udvikles af teams fra Leibniz Universität Hannover, Stanford University og Istituto Nazionale di Fisica Nucleare i Italien.
Gravitationsbølger passerer gennem stof næsten uden vekselvirkninger, i modsætning til elektromagnetisk stråling. De bringer derfor information om hændelser, der ellers ville forblive usynlige – for eksempel fra det indre af kolliderende sorte huller eller fra de første øjeblikke efter Big Bang.
Hvad sker der nu – jagten på flere minisorte huller og konsekvenser for fysikken
Hvis fortolkningen af det primordiale sorte hul holder stand over for kritik, kan man i de kommende år forvente en offensiv af ny forskning. Astronomer vil gennemgå arkivdata fra tidligere LVK-kampagner for at finde yderligere oversete signaler med objekter under Solens masse.
Sideløbende vil teoretikere tilpasse modellerne for primordiale sorte hulers dannelse til de nye begrænsninger: hvor hyppigt de kan være opstået, hvilken typisk masse de har, og om deres population virkelig kan forklare det mørke stof. Det indebærer korrektioner af scenarierne for det unge univers’ udvikling, herunder faser forbundet med meget tidlige stofomvandlinger. Forskningsteams fra Heidelberg Universität, University of Tokyo og Institut d’Astrophysique de Paris har allerede annonceret et koordineret indsats.
For den almene læser lyder hele emnet abstrakt, men det har overraskende konkrete konsekvenser. Hvis mørkt stof viste sig at være blot en sky af minisorte huller, ville det ændre planlægningen af fremtidige rummissioner, prognoserne for signaler i neutrinodetektorer og designet af elementarpartikelforsøg. En del planlagte dyre anlæg kunne miste deres formål, og i stedet ville nye ideer mere fokuseret på gravitationsbølgeastronomi overtage.
Det ville også have indflydelse på forståelsen af galaksernes struktur, sorte hullers adfærd i universets tidlige faser og endda fremtidige strategier for søgningen efter fremmed liv – fordi stoffordelingen påvirker planetdannelsen. Hvert yderligere registreret signal med deltagelse af så små sorte huller giver en mulighed for at teste gravitationsteorien i et ekstremt regime – og det kan vise, hvor man skal lede efter ny fysik hinsides den almene relativitetsteori og standardmodellen for partikler.
