Et mystisk signal fra kollisionen vendte astrofysikken på hovedet
Tyngdebølger har registreret en kollision med et objekt lettere end Solen. Et sort hul så lille kan umuligt opstå ved en stjernes kollaps – og det har ført forskere frem til en forbløffende konklusion: det kan være dannet blot mikrosekunder efter Big Bang.
Da forskere fra samarbejdet LIGO–Virgo–Kagra gennemgik signalet kaldet S251112cm, stødte de på noget uforklarligt. Et af de to sammenstødende objekter vejede mindre end Solen. Det giver simpelthen ingen mening inden for klassisk astrofysik. Ifølge kendte modeller for stjernernes udvikling kan et så let sort hul ikke eksistere – og netop derfor taler en del af forskerne nu om det første mulige bevis på et primordielt sort hul, skabt kort efter Big Bang.
Denne hændelse kan omskrive hele kapitler i kosmologiens lærebøger. Hvis fortolkningen bekræftes, får vi et måleværktøj til at udforske universets tidligste faser, som hidtil har været utilgængelige for direkte observation. Forskerne Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia fra italienske universiteter har offentliggjort en analyse, der antyder, at det observerede objekt opstod i den kvantekromodynamiske æra – blot et par mikrosekunder efter Big Bang.
Tyngdebølgeastronomi åbnede et nyt vindue til universet for blot nogle få år siden. I dag opfanger detektorerne snesevis af kollisioner om året, og hvert nyt signal kan bringe overraskelser på niveau med S251112cm. Vi lever bogstaveligt talt i en tid, hvor de grundlæggende spørgsmål om universets oprindelse bevæger sig fra ren spekulation til målbare data.
Hvad afslørede det usædvanlige tyngdebølgesignal?
Det hele starter med en rutinedetektion fra observatorienetværket LIGO, Virgo og den japanske detektor Kagra. Disse enorme interferometre måler mikroskopiske ændringer i afstanden mellem spejle, forårsaget af tyngdebølger, der passerer gennem Jorden. De fleste sådanne signaler stammer fra sammenstød mellem sorte huller på adskillige solmasser.
Denne gang viste analysen af S251112cm noget exceptionelt. Et af de to fusionerende objekter havde en masse på ca. en tiendedel til knap én solmasse. Et så let objekt passer overhovedet ikke ind i rammerne for kendte stjerneevolutionsprocesser.
Forskerne efterprøvede straks de traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, burde vi have registreret et lysspor – i form af gammastråling, røntgenstråler eller i det mindste optisk lys. Søgningen efter et ledsagende lysglimt gav intet resultat. Dermed stod et langt mere eksotisk scenarie tilbage.
Forskerne i samarbejdet understreger, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent. Dette statistiske tal giver hypotesen om et primordielt sort hul et solidt fundament – om end ikke en endelig bekræftelse.
Hvordan kan et sort hul veje mindre end Solen?
Objekter med en masse tæt på Solens, som vi kender fra astronomiske kataloger, er typisk meget tætte neutronstjerner. Et klassisk sort hul dannet ved en massiv stjernes kollaps er langt tungere – ifølge nuværende modeller skal det minimum veje omkring tre solmasser. For et objekt med en masse på ca. 0,87 solmasse svarer dimensionerne til en større dansk by.
Diameteren på en sådan rumtidsfælde ville være omkring fem kilometer. Det er en strækning, man roligt kan løbe på en halv time – og her taler vi om at pakke næsten hele Solens masse ind i den størrelse. For at skabe noget så ekstremt kræves betingelser, som ingen kendte proces inde i stjerner kan levere.
Astrofysikere pointerer, at klassisk stjernefysik ikke giver mulighed for at danne et sort hul med så lav en masse ved kernekollaps. Stjerner med for lav masse ender som hvide dværge, mens tungere stjerner danner neutronstjerner eller sorte huller med over tre solmasser. Et objekt som S251112cm passer ikke ind i denne rækkefølge.
Dr. Lisa Barsotti fra MIT, der er medlem af LIGO-teamet, bemærker, at detektorerne har en følsomhed, der gør det muligt at registrere ændringer mindre end en tusindedel af en protons diameter. Netop denne tekniske præcision ved interferometrene i LIGO i Hanford og Livingston samt detektoren Virgo nær Pisa åbner vejen for opdagelser af objekter, der falder uden for de kendte kataloger.
Spor fra universets første mikrosekunder efter Big Bang
Forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter derfor blikket langt tilbage i tiden – til et tidspunkt, hvor universet var mindre end et milliontedel sekund gammelt. I denne periode opfører stof sig helt anderledes end i dag: det såkaldte kvark-gluon-plasma dominerede, og tætheder og temperaturer var ufattelige.
Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere – herunder Stephen Hawking – at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under egen tyngde og skabe hele populationer af miniature sorte huller. De fik betegnelsen primordielle sorte huller. Teamet foreslår, at det analyserede objekt kan være opstået præcis i den æra, der er forbundet med kvantekromodynamikkens fysik, blot mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie er korrekt, ville S251112cm udgøre det første håndgribelige bevis på, at sådanne legemer faktisk har overlevet frem til i dag. Det ville betyde, at universet allerede i sine første øjeblikke begyndte at producere sorte huller i en mængde, der hidtil kun er blevet diskuteret i ligninger. Professor Bernard Carr fra Queen Mary University of London er en af pionererne bag hypotesen om primordielle sorte huller, og ifølge ham ville denne opdagelse bekræfte årtiers teoretisk arbejde.
Forskerne benytter i dag data fra fire observationskørsler med detektorerne. Hvert år øges følsomheden, og dermed vokser chancen for at opfange yderligere lignende hændelser. For kosmologer ville en serie bekræftede sub-solmasse sorte huller åbne et vindue til en periode i universet, der ligger forud for rekombinationsæraen og dannelsen af den kosmiske baggrundsstråling.
Kan mørk materie være et hav af primordielle sorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne kobler denne kandidat til et primordielt sort hul sammen med problemet om mørk materie. I årtier har vi vidst, at synlig materie – stjerner, gas, støv – kun udgør en beskeden del af universets samlede masse. Cirka 85 procent er en usynlig komponent, der kun manifesterer sig via tyngdekraft.
Mange grupper har hidtil søgt efter partikler ansvarlige for denne manglende komponent, eksempelvis WIMP-partikler i underjordiske laboratorier. Jagten har endnu ikke givet et entydigt resultat, hvilket har banet vejen for alternative idéer. Hvis primordielle sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med den rette massefordeling, kan de udgøre en betydelig del – måske hele – af den mørke materie.
Den nye analyse antyder, at det detekterede 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 endnu ikke kan måle, men utallige sorte huller spredt ud over hele universet siden dets tidligste faser.
Forskerteamet fra Milano og Rom har benyttet simuleringer af strukturdannelse i universet. Resultaterne viser, at en population af sub-solmasse sorte huller potentielt kan forklare den observerede massefordeling i galakser uden at skulle indføre nye fundamentale partikler. Dr. Juan García-Bellido fra Universidad Autónoma de Madrid har offentliggjort en undersøgelse, der modellerer primordielle sorte huller af varierende masse og deres bidrag til den samlede mørke materie.
- Sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent
- Diameteren på et sådant sort hul er cirka fem kilometer
- Objektet udsendte intet lysspor ved kollisionen
- Neutronstjerner og hvide dværge ville have efterladt et elektromagnetisk signal
- Detektorerne LIGO og Virgo måler ændringer mindre end en tusindedel af en protons diameter
- Kvark-gluon-plasma dominerede universet i de første mikrosekunder
- Stephen Hawking forudsagde primordielle sorte huller allerede i 1974
- Mørk materie udgør cirka 85 procent af universets samlede masse
Sådan fungerer en tyngdebølgedetektor
For at forstå vægten af det aktuelle signal er det nyttigt at vide, hvad LIGO og Virgo egentlig måler. Det drejer sig om anlæg, hvor en laserstråle løber i to vinkelrette arme og reflekteres fra spejle placeret flere kilometer fra hinanden. Når en tyngdebølge passerer detektoren, komprimerer den den ene akse en smule og strækker den anden.
Ændringen i armlængde er mindre end en brøkdel af en protons diameter, men avanceret interferometriteknik gør det muligt at opfange den. Ud fra formen på det registrerede tyngdebølge-“kvidren” kan forskerne aflæse masserne, afstanden og typen af de sammenstødende objekter. I tilfældet S251112cm satte alle disse elementer sig sammen til et billede af et system, hvor en af parterne har en usædvanlig lav masse.
Signalets varighed fortæller om parrets masser, amplituden oversættes til kildens afstand, den endelige frekvens giver mulighed for at estimere massen af det dannede objekt, og fraværet af et lyssignal hjælper med at udelukke neutronstjerner. Netop dette detalje vakte så stor interesse blandt astrofysikere verden over.
Forskere fra LIGO-laboratoriet i Hanford i staten Washington og deres kolleger fra Virgo-observatoriet nær Pisa koordinerer analysen af data fra de fire hidtidige observationskørsler. Den japanske detektor Kagra nær byen Hida tilsluttede sig i den seneste kørsel og forbedrer præcisionen af kildelokalisering på himlen.
Hvad ville en bekræftelse af primordielle sorte huller ændre?
Hvis yderligere observationer støtter fortolkningen fra Cappelluti og Magaraggia, venter en række vidtrækkende konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at studere ultratidlige epoker – langt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske baggrundsstråling stammer. Primordielle sorte huller ville fungere som sonder, der husker betingelserne i universets første mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville ligeledes kræve justeringer. En yderligere population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, masse samler sig på, hvordan halos af mørk materie vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelfysikere er det også et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler muligvis har et smallere spillerum, hvis sorte huller spiller en dominerende rolle.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en intrigerende hypotese til et nyt kapitel i kosmologien. Professor Tomasz Bulik fra Warszawas Universitet bemærker, at den statistiske signifikans af ét enkelt tilfælde er interessant, men at en serie lignende detektioner ville udgøre en revolution i vores forståelse af det tidlige univers.
For at gøre det anskueligt: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant stiger og synker. I det meget tidlige univers var sådanne “bobler” fortætninger af stof. De fleste opløste sig, efterhånden som universet udvidede sig – men nogle var så tætte, at de kollapsede under egen tyngde og dannede sorte huller. I de efterfølgende milliarder af år kredsede disse objekter næsten usynligt mellem og inden i galakser og stødte ind i hinanden af og til. Det er netop ved sådanne sjældne kollisioner, at der udsendes tyngdebølger, som jordbaserede detektorer i dag kan opfange.
