Et usædvanligt gravitationsbølgesignal rejser store spørgsmål
Et mærkeligt signal fra gravitationsbølgedetektorer har afsløret et objekt med en masse, der er mindre end Solens — noget klassisk astrofysik anser for umuligt. Forskere fra samarbejdet LIGO–Virgo–Kagra er stødt på et spor, der potentielt kan omskrive kosmologiens lærebøger.
Data fra gravitationsbølgedetektorerne peger på et objekt så let, at det ikke passer ind i nogen kendte modeller for dannelsen af stellare sorte huller. Det internationale samarbejde LIGO–Virgo–Kagra analyserede optagelsen af en kollision mellem to kompakte objekter, betegnet S251112cm. Da forskerne lagde masserne af de to kollisionsparter sammen, viste det sig, at det ene objekt vejer mindre end Solen. Ifølge klassisk astrofysik burde et sådant sort hul simpelthen ikke eksistere. Netop derfor taler en del af forskerne nu om, at vi måske overværer det første historisk dokumenterede spor efter et såkaldt ældgammelt sort hul — opstået umiddelbart efter Big Bang.
Denne opdagelse kan fundamentalt ændre vores forståelse af det tidlige univers og af den mystiske mørke materie. Hvis det bekræftes, at lignende objekter findes i større antal, får vi et unikt redskab til at undersøge universets første mikrosekunder. Gravitationsbølgedetektorer ville dermed kunne afsløre epoker, der er utilgængelige for enhver anden observationsmetode.
Forskerne spekulerer desuden i, at disse urfornumstige sorte huller måske udgør en væsentlig del — eller endda hele — den mørke materie, som hidtil ingen har kunnet identificere direkte. I stedet for eksotiske partikler kunne det vise sig, at universets usynlige grundlag består af utallige miniaturesorte huller spredt ud over hele kosmos siden tidernes morgen.
Sådan bragte gravitationsbølger et kosmisk mysterium
Det hele begynder med det, der lignede en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger via netværket af detektorer LIGO, Virgo og japanske Kagra. Disse gigantiske interferometre måler mikroskopiske ændringer i afstanden mellem spejle forårsaget af gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden. De fleste sådanne signaler stammer fra sammenstød mellem sorte huller med titiver af solmasser.
Denne gang afslørede analysen af begivenheden S251112cm noget ganske exceptionelt. Et af de to sammensmeltet objekter har en masse på mellem cirka en tiendedel og knap én solmasse. Et så let sort hul passer ikke ind i rammerne for kendte processer inden for stjernernes udvikling — og det er et alvorligt signal om, at vi har med en helt anden dannelsesmekanisme at gøre.
Forskerne undersøgte straks mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, burde det have efterladt synlige spor i form af lys — gammastråler, røntgenstråling eller i det mindste optisk stråling. Søgningen efter et ledsagende lysglimt gav imidlertid intet resultat, og det langt mere eksotiske scenarie forblev dermed på bordet.
Nogle astrofysikere fremhæver, at fraværet af et lyssignal er afgørende. Dr. Nico Cappelluti og hans kollega Alberto Magaraggia understreger, at netop dette detalje peger på objekter, der ikke indeholder almindelig materie, som kunne eksplodere eller udsende stråling.
Et sort hul mindre end en dansk provinsby
Objekter med en masse tæt på Solens, som vi kender fra astronomiske kataloger, er for det meste meget tætte neutronstjerner. Et typisk sort hul, der dannes ved kollaps af en massiv stjerne, er langt tungere — ifølge nuværende modeller skal det mindst have omkring tre solmasser. For et objekt med en masse på cirka 0,87 solmasse giver beregningerne dimensioner, der er sammenlignelige med en mellemstor by.
Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være cirka fem kilometer — en afstand man sagtens kan tilbagelægge til fods på en halv time. Og alligevel taler vi om at koncentrere næsten hele Solens masse inden for denne skala. For at skabe noget så ekstremt kræves betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere.
Astrofysikere understreger, at klassisk stjerneudviklings fysik ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse via simpelt kollaps af et stjernekerne. Stjerner med for lav masse kan simpelthen ikke generere tilstrækkeligt tryk til at kollapse til et sort hul — de ender som hvide dværge eller neutronstjerner, ikke som sorte huller.
- Objektets diameter er cirka fem kilometer
- Massen ligger mellem 0,1 og 0,87 solmasse
- Klassisk stjerneevolution kræver mindst tre solmasser
- Tætheden overstiger ethvert jordisk materiale milliarder af milliarder gange
- Ingen kendte processer i stjerner kan skabe dette
- Objektet indeholder ingen lysende, almindelig materie
Nogle forskere sammenligner tætheden af et sådant objekt med at komprimere hele Københavns befolkning ned i en lille kugle. Det er betingelser, der simpelthen ikke forekommer i det ordinære univers.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Derfor retter forfatterne af den nye analyse blikket langt tilbage i tid — til den periode, hvor universet var yngre end en milliontedel af et sekund. I denne æra opfører materie sig radikalt anderledes end i dag: den såkaldte kvark-gluon-plasma dominerer, og tætheder såvel som temperaturer er ubegribelige. Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under egen tyngdekraft.
Resultatet ville være en hel population af miniaturesorte huller — de såkaldte urfornumstige sorte huller eller primordiale sorte huller. Holdet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået i den æra forbundet med kvantefarvekrodynamikkens fysik, et par mikrosekunder efter Big Bang. Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige indicium på, at sådanne strukturer faktisk har overlevet til vore dage.
Det betyder, at universet allerede i sine allerførste øjeblikke begyndte at producere sorte huller i mængder, der hidtil kun er blevet omtalt i ligninger. Forskere ved LIGO-observatoriet i den amerikanske delstat Louisiana og ved detektoren Virgo i italienske Pisa har i fællesskab bekræftet, at signalets statistiske signifikans er høj. Sandsynligheden for, at der er tale om tilfældig støj, er lavere end én procent.
Forskerne påpeger, at en sådan opdagelse ville give os mulighed for at kigge ind i epoker, der er fuldstændig utilgængelige for andre observationsmetoder. Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling stammer fra en tid cirka 300.000 år efter Big Bang. Primordiale sorte huller ville derimod bære information fra langt tidligere tider.
Er mørk materie et hav af miniaturesorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordialt sort hul med problemet om den såkaldte mørke materie. Det har i årtier været kendt, at synlig materie — stjerner, gas og støv — kun udgør en lille brøkdel af universets samlede massebudget. Cirka 85 procent udgøres af en usynlig komponent, der kun manifesterer sig via tyngdekraft.
Mange grupper har hidtil søgt efter partikler ansvarlige for denne manglende del, for eksempel de såkaldte WIMP’er registreret i underjordiske detektorer. Denne søgen har endnu ikke båret entydige frugter, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer. Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med den rette massefordeling, kan de udgøre en væsentlig del — eller endda hele — den mørke materie.
Den nye analyse antyder, at det detekterede objekt passer til et sådant scenarie. Massesignaturen stemmer overens med forudsigelserne fra visse modeller for populationen af primordiale sorte huller. I denne vision er mørk materie ikke en eksotisk partikel, vi ikke kan spore, men derimod utallige sorte huller spredt over hele kosmos siden de tidligste epoker.
Denne tilgang forklarer også andre gåder. Forskere fra Yale University og fra det tyske Max Planck Institut for Astrofysik i Garching har i årevis beregnet, hvordan galaktiske strukturer ville udvikle sig, hvis mørk materie bestod af kompakte objekter frem for partikler. Resultaterne viser, at en sådan fordeling kan forklare de observerede former for galakser samt stjernernes hastigheder.
Signalet er lovende, men endnu ikke afgørende
Trods begejstringen holder en del af forskersamfundet emotionerne i ave. Estimaterne siger, 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 flere objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Holdet betegner derfor foreløbig objektet som en “kandidat” til et primordialt sort hul. For at bevæge sig fra antydning til en solid konklusion har fysikerne brug for flere lignende begivenheder. Den igangværende observationskampagne fra LVK-netværket spiller en central rolle her — detektorernes følsomhed øges løbende, og chancen for yderligere registreringer vokser år for år.
Et andet, tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en fascinerende hypotese til et nyt kapitel i kosmologien. Hvis flere uafhængige begivenheder bekræfter eksistensen af en hel klasse af subsolære sorte huller, vil fysikerne være nødt til at omskrive afsnittene om Big Bang, det tidlige univers og mørk materiens natur.
Nogle forskere fra samarbejdet LIGO–Virgo–Kagra understreger dog, at alle konventionelle muligheder først skal udelukkes. For eksempel kunne sjældne konfigurationer af neutronstjerner i tætte dobbeltstjernesystemer teoretisk set producere et lignende signal. Dataanalysen fortsætter derfor med stadig mere sofistikerede simuleringer.
Hvad ville en bekræftelse af primordiale sorte huller ændre?
Hvis yderligere observationer understøtter fortolkningen fremsat af Cappelluti og Magaraggia, venter en række vidtrækkende konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at undersøge ultraraske epoker, langt tidligere end den periode, hvorfra baggrundsstrålingen stammer. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der husker betingelserne i universets allerførste mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville ligeledes kræve revision. En yderligere population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, hvorpå materie klumper sig sammen, hvordan mørke materiehalos vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelfysikere er det også et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler måske har et snævrere virkefelt, hvis sorte huller spiller den dominerende rolle. Det er muligt, at vi hele tiden har ledt efter mørk materie i form af ukendte partikler, mens svaret lå gemt i objekter forudsagt for mere end 50 år siden.
Forskere ved Virgo-observatoriet i Italien påpeger, at en sådan opdagelse også ville have konsekvenser for teknologien. En bedre forståelse af gravitationsbølger og universets tidlige faser kan i fremtiden føre til nye anvendelser inden for tidsmåling, navigation eller endda energiproduktion. Foreløbig befinder dette sig dog på spekulationernes plan, indtil yderligere bekræftende data foreligger.
