Et signal der udfordrer al kendt fysik
Et videnskabeligt team arbejdende med detektorerne LIGO, Virgo og Kagra har registreret en usædvanlig “rystelse” i selve rumtiden. Analysen antyder, at et objekt lettere end Solen deltog i et kosmisk sammenstød — alt for lille til at passe ind i nogen kendt type sort hul.
Den samlede begivenhed fortæller historien om et objekt, der ifølge nutidens stjernedannelsesteori simpelthen ikke burde eksistere. Stadig flere forskere taler åbent om, at vi måske har set det første spor af et såkaldt primordielt sort hul — skabt i de allerførste øjeblikke efter universets fødsel.
Signatur S251112cm: signalet der vægrer sig mod forklaring
Forskere i LVK-netværket har hidtil registreret snesevis af gravitationsbølger. Det er rystelser i rumtiden skabt ved sammenstød mellem ekstremt massive objekter — typisk sorte huller eller neutronstjerner. For det erfarne internationale team er registreringen af sådanne hændelser nærmest rutinemæssig. Men signatur S251112cm brød med alle hidtidige mønstre.
Analysen af gravitationsbølgerne afslørede, at ét af de to objekter, der stødte sammen, havde en masse på blot 0,1 til 0,87 solmasser. Data viser med en sandsynlighed på over 99 procent, at mindst ét af objekterne vejede under én solmasse. Et sådant scenarie passer ikke ind i standardmodellerne for stjernernes livscyklus.
Forskerne overvejede alle oplagte forklaringer. En neutronstjerne? En hvid dværg? Disse objekter kan faktisk være lettere end Solen. Problemet er, at sammenstød mellem dem normalt også giver ledsagende elektromagnetiske udbrud i form af røntgen-, optisk eller gammastråling.
Denne gang fangede teleskoperne absolut ingenting. Kun gravitationsbølger blev registreret — præcis som ved et klassisk sammenstød mellem to sorte huller. Det mønster er et afgørende signal for astronomerne.
Forskere ved LIGO-observatorierne i Hanford og Livingston samt kolleger ved Virgo-detektoren i den italienske by Pisa og Kagra i den japanske præfektur Gifu gennemførte en detaljeret analyse af signalet. Alle tre stationer bekræftede, at der ikke var tale om teknisk støj eller lokal interferens, men en ægte kosmisk begivenhed. Sandsynligheden for en falsk alarm er under én procent.
Data fra interferometrene viser den karakteristiske chirp — en gradvis acceleration af bølgefrekvensen lige inden sammenstødet. Fra formen af denne kurve kan fysikere udlede objekternes masser, afstand og omtrentlige position på himlen. Det var netop denne metode, der afslørede, at ét af objekterne lå markant under den teoretiske nedre grænse for et stjernedannet sort hul.
Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul
For at forstå, hvorfor dette udgør et så fundamentalt paradoks, må vi se på, hvordan klassiske sorte huller opstår. En massiv stjerne ender sit liv i en spektakulær katastrofe. Kernen kollapser under sin egen tyngde, og de ydre lag kastes ud i en supernova. Fysikken bag disse kollaps sætter imidlertid en nedre grænse for massen af det resulterende sorte hul.
Stellarevolutionsteorien er klar: en almindelig stjerne kan ikke skabe et sort hul så lille som det, analysen af gravitationsbølgerne fra S251112cm antyder. Hvis signalet virkelig stammer fra et miniature sort hul, måtte det være opstået gennem en helt anden proces — uafhængigt af stjernernes livscyklus.
- Teoretisk nedre grænse for stjernedannede sorte huller: cirka 3 solmasser
- Typisk masseinterval for stellare sorte huller: fra få til titusindvis af solmasser
- Hændelse S251112cm: objekt med en masse under 1 solmasse
- Hvide dværges masse: normalt mellem 0,6 og 1,4 solmasser
- Neutronstjerners masse: typisk mellem 1,4 og 2,0 solmasser
- Sorte huller dannet fra supernovaer: minimum 3 solmasser
Forskere fra California Institute of Technology og kolleger fra University of Amsterdam gennemførte simuleringer af forskellige kollapsscenarier. Ingen af dem formåede at producere et sort hul med så lav en masse, som LVK-data viser. Det betyder, at vi er nødt til at søge efter en anden dannelsesmekanisme.
Hvis de nuværende modeller holder stik, er der kun én vej tilbage: objektet må være opstået ikke fra en stjerne, men direkte ud af tæthedsfluktuationer i det tidlige univers. Det åbner døren til den fascinerende mulighed for primordielle sorte hullers eksistens.
Primordielle sorte huller: Stephen Hawkings eksotiske idé
Her træder de såkaldte primordielle sorte huller ind på scenen — objekter som Stephen Hawking bl.a. teoretiserede over allerede i 1970’erne. I modsætning til klassiske sorte huller opstår de ikke fra stjerner. Deres oprindelse går helt tilbage til brøkdele af et sekund efter Big Bang.
I det ultratidlige univers herskede ekstreme betingelser. Ufattelige temperaturer, tætheder og voldsomme fluktuationer i fordelingen af stof. I visse områder kunne materie samle sig så tæt, at den lokale tyngdekrafts “bakke” kollapsede uden en stjernes medvirken og øjeblikkeligt skabte et sort hul.
Det scenarie, som forskerne foreslår, forudsætter dannelsen af objektet under en fase forbundet med kvantefarvodynamik — blot få mikrosekunder efter universets begyndelse. Det var en epoke, hvor selv almindelige stjerner endnu ikke eksisterede, men hvor materie gennemgik dramatiske faseomdannelser.
Hvis fortolkningen er korrekt, har LVK-netværket måske for første gang registreret et signal fra sammenstødet med netop et sådant ældgammelt sort hul. Det viser, at gravitationsbølger er ved at blive et redskab ikke blot til at studere eksotiske stjerner, men også universets allerførste øjeblikke. Forskere fra Max Planck Institute i Potsdam og CERN i Genève er allerede begyndt at forberede mere detaljerede analyser.
Et miniature sort hul på størrelse med en by
Hvad betyder det egentlig, at et sort hul har en masse på 0,87 solmasser? Tallet ser ikke dramatisk lavt ud — indtil man ser på dets dimensioner. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt, med en diameter på cirka 5 kilometer.
Det svarer til noget med en masse sammenlignelig med Solens, presset ned i et område på størrelse med en mellemstor by. Så ekstreme tætheder synes kun mulige i tiderne kort efter Big Bang, hvor materie gennemgik voldsomme faseomdannelser. Til sammenligning har vores Sol en diameter på omkring 1,4 millioner kilometer.
Forestil dig, at du presser al Solens masse ind i en kugle mindre end København. Et sådant objekt ville skabe et gravitationsfelt så kraftigt, at ikke engang lys kan undslippe. Dets Schwarzschild-radius ville reelt blot være de fem kilometer — men dets gravitationsmæssige indflydelse ville være enorm.
Fysikere fra Princeton University har beregnet, at tætheden i et sådant objekt ville nå værdier sammenlignelige med atomkerners tæthed, men fordelt over et markant større volumen. Det er betingelser, man simpelthen ikke finder i nutidens univers — medmindre man kigger ind i kernen af en neutronstjerne eller netop et sort hul.
Mørkt stof: er den mystiske masse egentlig en sværm af minihuller?
Hvis fortolkningen af S251112cm som et spor af et primordielt sort hul bekræftes, vil konsekvenserne nå langt ud over blot klassifikationen af et eksotisk objekt. Spørgsmålet om mørkt stofs natur træder ind i billedet.
Astronomer har i årtier vidst, at synlig materie — stjerner, gas, støv — kun udgør en lille del af det kosmiske puslespil. En yderligere masse påvirker galaxiers, galaksehobenes og de store kosmiske strukturers opførsel, uden at den kan ses i nogen del af det elektromagnetiske spektrum. De kaldte det mørkt stof.
I årtier har man søgt efter hypotetiske nye partikler. Fra de berømte WIMP’er over eksotiske lette bosoner til axioner. Gentagne eksperimenter i underjordiske partikeldetektorer i laboratorier som Gran Sasso i Italien og Soudan i Minnesota endte imidlertid i tavshed. I denne sammenhæng er miniature sorte huller begyndt at lyde som et stadig mere overbevisende alternativ.
Analysen antyder, at primordielle sorte huller — ved det rette antal og den rette massefordeling — potentielt kunne forklare en betydelig del, muligvis al, det mørke stof, uden at det kræver indførelse af helt nye elementarpartikler. I dette scenarie ville universet være fyldt med bittesmå sorte huller spredt diskret i galaksernes haloer og i rummet mellem galaksehobene.
Forskere fra University of California i Berkeley og Kavli Institute for Cosmological Physics i Chicago har skabt computermodeller over fordelingen af primordielle sorte huller. Simuleringerne viser, at disse objekter ved den rette tæthed og massefordeling ville kunne replikere de gravitationseffekter, der tilskrives mørkt stof, næsten perfekt.
I dagligdagen ville de være praktisk talt usynlige, men deres samlede gravitationsmæssige indflydelse ville forklare den galakseadfærd, astronomerne observerer. Det ville fundamentalt ændre vores forståelse af universets struktur og muligvis også retningen for fremtidig forskning inden for partikelfysik.
Forskerne dæmper begejstringen: foreløbig kun en stærk kandidat
Trods den markante begejstring i forskningsmiljøet holder videnskabsfolk stadig en professionel distance. Analysen, som er offentliggjort på serveren arXiv og indsendt til det prestigefyldte tidsskrift The Astrophysical Journal Letters, gennemgår stadig peer review-processen. Forskerne taler direkte om en “kandidat” til et primordielt sort hul.
Det skal stadig undersøges, om signalet ikke kan forklares anderledes — for eksempel som effekten af komplekse vekselvirkninger i ekstremt tætte stjernehobe. I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne flerfoldige systemer, hvor en serie af sammenstød og indfangninger genererer komplicerede gravitationsbølger.
Forskere fra Massachusetts Institute of Technology i Cambridge og European Southern Observatory i Garching vurderer foreløbig, at fortolkningen med et primordielt sort hul er den enkleste og bedst understøttede af data. Fysikerne mangler dog stadig ét afgørende element: gentagelse.
Hvis LVK-detektorerne under den igangværende observationskampagne registrerer endnu et lignende signal med et objekt under Solens masse, vil hypotesen om primordielle sorte huller få en helt anden tyngde. Fra en teoretisk kuriositet ville den forvandle sig til en ny kategori af reelle kosmiske objekter med konsekvenser for hele kosmologien.
Sådan fungerer LIGO, Virgo og Kagra — “ørerne” der lytter til rumtiden
Gravitationsbølger er mikroskopiske rystelser i selve rumtidens struktur. For at registrere dem har forskere bygget gigantiske interferometre — apparater der måler minimale afstandsændringer mellem spejle placeret i tunneler på flere kilometers længde.
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 let den ene arm af interferometret og forlænger den anden. Ændringen er mindre end en protons diameter, men det følsomme apparat er i stand til at registrere den.
- LIGO Hanford i staten Washington: arme på 4 kilometers længde
- LIGO Livingston i Louisiana: identisk konfiguration som Hanford
- Virgo ved Pisa i Italien: arme på 3 kilometers længde, forbedrer præcisionen ved lokalisering af kilder
- Kagra i præfekturet Gifu i Japan: underjordisk detektor nedkølet til meget lave temperaturer
- Lasersystemer: effekt op til 200 watt for maksimal følsomhed
- Spejle: op til 40 kilogram af kvartsglas med ultrachrist overflade
- Vakuumtunneler: tryk lavere end på Månens overflade for at eliminere interferens
- Seismisk isolering: flerlags ophængssystemer dæmper vibrationer med op til seks størrelsesordener
Takket være samarbejdet mellem disse tre instrumenter kan forskere ikke blot måle bølgernes form, men også rekonstruere de involverede objekters parametre: masse, afstand og endda rotation. Det var netop denne metode, der muliggjorde opdagelsen af, at hændelsen S251112cm involverede et objekt under Solens masse.
Når enorme masser som sorte huller kredser om hinanden og støder sammen, “rører de op i” rumtiden så intenst, at effekten af denne storm når frem milliarder af lysår borte. LIGO og de øvrige detektorer registrerer ikke et billede af objektet — kun den præcise registrering af, hvordan længden af interferometrets arme ændrer sig.
Ud fra denne kurve tilpasser en computer den bedste kollisionsmodel og udtrækker informationer om masserne og typen af de involverede objekter. Processen kræver supercomputere ved National Center for Supercomputing Applications i Urbana-Champaign samt yderligere beregningscentre over hele verden.
Hvad sker der nu: jagten på flere minihuller og konsekvenserne for fysikken
Hvis fortolkningen med et primordielt sort hul overlever kritikken, kan man i de kommende år forvente en offensiv af nye studier. Astronomer vil gennemsøge arkiver fra tidligere LVK-kampagner for at finde yderligere, oversete signaler med objekter under Solens masse.
Parallelt vil teoretikere begynde at tilpasse modellerne for primordielle sorte hullers dannelse til de nye begrænsninger. Hvor hyppigt kunne de opstå? Hvilken typisk masse antager de? Kan deres population virkelig forklare mørkt stof? Det indebærer korrektion af scenarierne for det tidlige univers’ evolution, herunder faserne forbundet med meget tidlige omdannelser af materie.
For ikke-specialister lyder hele emnet abstrakt, men det har overraskende konkrete konsekvenser. Skulle mørkt stof vise sig blot at være en sky af miniature sorte huller, ville det ændre måden, fremtidige rummissioner planlægges på. Det ville påvirke prognoserne for signaler i neutrinodetektorer som IceCube på Sydpolen eller projektet KM3NeT i Middelhavet.
En del planlagte kostbare installationer kunne miste deres formål, og på deres plads ville nye idéer opstå — med større fokus på gravitationsbølgeastronomi. Den Europæiske Rumfartsorganisation ESA forbereder allerede missionen LISA, et rumbaseret interferometer, der forventes at blive mere følsomt end de jordbaserede detektorer.
For dem der følger dette område, er det værd at præcisere et par begreber. Mørkt stof “suger” ikke energi fra stjerner og udgør heller ikke nogen direkte trussel mod Jorden. Dets indvirkning er praktisk talt udelukkende gravitationel. Hvis det består af miniature sorte huller, forbliver deres tæthed i vores nærhed så lav, at sandsynligheden for et nært møde med ét af dem er forsvindende lille målt over hele menneskehedens historie.
Hvert nyt registreret signal med deltagelse af så små sorte huller giver mulighed for at teste gravitationsteorien under ekstreme forhold. Det kan pege på, hvor man skal søge efter ny fysik hinsides den generelle relativitetsteori og standardmodellen for partikler. I praksis er det netop af sådanne tilsyneladende hermetiske undersøgelser, at teknologier ofte opstår, der år senere finder vej til hverdagslivet — fra satelnavigation med GPS til avancerede metoder til medicinsk billeddannelse med magnetisk resonans. Alle har de rødder i grundforskning, der oprindeligt lignede ren teori uden praktisk anvendelse.
