Et mærkeligt signal ryster det videnskabelige miljø
Forskere bag detektorerne LIGO, Virgo og Kagra har registreret en usædvanlig “rystelse” i rumtiden. Analysen tyder på, at et objekt lettere end Solen deltog i en kosmisk kollision – noget der er alt for lille til at passe ind i nogen kendte kategorier af sorte huller.
Det videnskabelige samfund diskuterer nu højlydt, om det for første gang er lykkedes at opfange sporet af en såkaldt primordial sort hul, som opstod i de allerførste øjeblikke efter Big Bang. En bekræftelse af dette fund kunne fundamentalt ændre vores forståelse af både mørkt stof og det tidlige univers.
Signalet S251112cm giver fysikerne en stor gåde
Det hele begynder med en hændelse registreret under betegnelsen S251112cm. Det er endnu en post i kataloget over gravitationsbølger – krumninger i rumtiden, der opstår ved kollisioner mellem ekstremt massive objekter som sorte huller eller neutronstjerner. For netværket af observatorier LIGO i USA, Virgo i Italien og Kagra i Japan er registrering af gravitationsbølger efterhånden næsten hverdag.
LVK-netværket fungerer som et globalt system af “ører”, der lytter efter fjerne kosmiske katastrofer. Når en gravitationsbølge passerer Jorden, forkortes den ene arm af interferometeret en smule, mens den anden forlænges. Ændringen er mindre end en protons diameter, men det følsomme apparat er i stand til at opfange den. Takket være samarbejdet mellem de tre instrumenter kan forskerne ikke blot måle bølgernes form, men også rekonstruere parametre for de objekter, der fremkaldte dem – masse, afstand og endda rotation.
Det var præcis denne metode, der afslørede, at et objekt med en masse under Solens masse deltog i hændelsen S251112cm. Forskere fra LIGO-observatorierne i Hanford og Livingston samt kolleger fra den europæiske detektor Virgo analyserede data i flere uger. Uafhængige hold fra Japan, der arbejder med observatoriet Kagra, nåede frem til de samme konklusioner.
Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul
For at danne et typisk sort hul skal en massiv stjerne afslutte sit liv i en spektakulær katastrofe. Kernen kollapser under sin egen tyngdekraft, mens de ydre lag kastes ud i en supernova. Problemet er, at fysikken bag sådanne kollaps sætter en nedre grænse for et sort huls masse.
Den teoretiske nedre grænse for massen af et sort hul dannet fra en stjerne er cirka tre solmasser. Det typiske masseinterval for stjernernes sorte huller strækker sig fra nogle få til titals solmasser. Hændelsen S251112cm peger imidlertid på et objekt med en masse på under én solmasse. Nuværende modeller for stjernernes evolution fastslår klart, at en almindelig stjerne ikke kan skabe et sort hul så lille som det, gravitationsbølgeanalysen antyder.
Hvis signalet virkelig stammer fra et miniature sort hul, må det være opstået via en helt anderledes proces. Astrofysikere fra Massachusetts Institute of Technology og University of Chicago gennemgik alle kendte scenarier for stjernernes udvikling grundigt – og ingen af dem kan forklare eksistensen af et så let sort hul.
Ældgamle sorte huller ifølge Stephen Hawkings teori
På dette punkt træder de såkaldte primordialne sorte huller ind på scenen – en idé, der har været teoretiseret i årtier, bl.a. af Stephen Hawking. I modsætning til klassiske sorte huller opstår de ikke fra stjerner. Deres oprindelse går tilbage til brøkdele af et sekund efter Big Bang. I det ultrayounge univers herskede ekstreme betingelser – ufattelige temperaturer, tætheder og voldsomme fluktuationer i stoffordelingen.
I visse regioner kunne stof have hobet sig så tæt sammen, at et lokalt “bjerg” af tyngdekraft kollapsede uden en stjernes medvirken og øjeblikkeligt dannede et sort hul. Det scenarie, som forskerne foreslår, forudsætter, at objektet opstod i en fase relateret til kvantekomododynamik, blot få mikrosekunder efter universets begyndelse – i en epoke, hvor almindelige stjerner slet ikke fandtes endnu.
Primordialne sorte huller menes at besidde følgende egenskaber:
- Opstod i de første mikrosekunder efter Big Bang
- Masse under én solmasse
- Ingen elektromagnetisk stråling ved kollision
- Ekstremt kompakte dimensioner på omkring fem kilometer i diameter
- Evne til at forklare en del af eller hele det mørke stof
- Stabilitet gennem milliarder af år uden nævneværdig stråling
- Kan kun detekteres via gravitationsbølger
- Forbindelse til faseskift i stof i det tidlige univers
Hvis fortolkningen er korrekt, kan LVK-netværket for første gang have registreret et signal fra kollisionen af netop et sådant ældgammelt sort hul med et andet objekt. Det viser, at gravitationsbølger er ved at blive et redskab ikke blot til at studere eksotiske stjerner, men også universets allertidligste øjeblikke.
Hvad et sort hul på størrelse med en by egentlig betyder
Hvad indebærer det egentlig at have et sort hul med en masse på 0,87 solmasser? Tallet lyder ikke dramatisk lille – indtil man ser på dets dimensioner. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt med en diameter på blot omkring fem kilometer. Det svarer til noget med en masse sammenlignelig med Solens, presset ind i et område omtrent på størrelse med en mellemstor by.
Så ekstreme tæthedsbetingelser synes kun mulige i tiden umiddelbart efter Big Bang, da stof gennemgik voldelige faseomdannelser. Forskere fra observatoriet Virgo i byen Cascina i Italien har beregnet, at tyngdekraften på overfladen af et sådant sort hul ville være en billion gange stærkere end på Jorden. Rumtiden i dets omgivelser ville være så forvrænget, at lys kredsede om begivenhedshorisonten ad spiralformede baner.
Forskere fra universitetet i Tokyo, der arbejder med detektoren Kagra, påpeger, at tilsvarende små sorte huller kan forekomme relativt hyppigt. Hvis de opstod kort efter Big Bang, kunne de have overlevet helt op til i dag nærmest uforandret. I modsætning til klassiske stjernernes sorte huller ville de ikke have nogen strålende akkretionsskive eller strømme af højenergitiske partikler.
Mørkt stof som skyer af primordialne sorte huller
Hvis fortolkningen af signalet S251112cm som sporet af et primordionalt sort hul bekræftes, rækker konsekvenserne langt ud over selve klassifikationen af et eksotisk objekt. Spørgsmålet om det mørke stofs natur træder frem i forgrunden. Astronomer har i årevis vidst, at synligt stof – stjerner, gas, støv – kun udgør en lille brøkdel af det kosmiske puslespil.
Galaksers, galaksehobens og store kosmiske strukturers adfærd påvirkes af yderligere stof, som ikke kan ses i noget strålingsspektrum. Det har fået navnet mørkt stof. I årtier har man søgt efter hypotetiske nye partikler – fra de berømte WIMP‘er til eksotiske lette bosoner. Løbende eksperimenter i underjordiske partikeldetektorer er imidlertid endt i tavshed. I denne sammenhæng begynder mini-sorte huller at lyde som et stadigt stærkere alternativ.
Analysen antyder, at ved et passende antal og massefordeling kunne primordialne sorte huller forklare en betragtelig del – og potentielt hele – det mørke stof, uden at introducere helt nye elementarpartikler. I dette scenarie ville universet være fyldt med bittesmå sorte huller spredt diskret i galaksernes haloer og den intergalaktiske rum. I hverdagen ville de være praktisk talt usynlige, men deres samlede gravitationseffekt ville forklare den galakseadfærd, som astronomer observerer.
Fysikere fra California Institute of Technology, der samarbejder med projektet LIGO, har beregnet, at tætheden af sådanne objekter i vores galakse kunne udgøre ét objekt pr. kubik-parsec. Det er en tilstrækkelig lav tæthed til, at risikoen for Jordens direkte møde med et miniature sort hul er ubetydelig på skalaen af hele menneskelighedens historie.
Forskerne holder igen og efterlyser yderligere bekræftelse
På trods af den betydelige begejstring i forskningsmiljøet bevarer videnskabsfolkene afstand. Analysen, der er offentliggjort i arkivet arXiv og indsendt til et prestigefyldt tidsskrift, er endnu ikke igennem fagfællebedømmelse. Forskerne omtaler det direkte som en “kandidat” til et primordionalt sort hul. Det skal stadig verificeres, om signalet ikke kan forklares på en anden måde – eksempelvis som effekten af komplekse vekselvirkninger i usædvanligt tætte stjernehobe.
I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne multiple systemer, hvor serier af kollisioner og indfangninger genererer komplicerede gravitationsbølger. Foreløbig tyder alt på, at fortolkningen med det primordialne sorte hul er den enkleste og bedst stemmer overens med dataene – men fysikerne har brug for ét afgørende element mere: gentagelse.
Hvis detektorerne i LVK under den igangværende kampagne registrerer et andet lignende signal med et objekt under solmassen, vil hypotesen om primordialne sorte huller få en helt anden vægt – fra en teoretisk kuriositet vil det forvandle sig til en ny kategori af reelle kosmiske objekter. Forskere fra observatoriet LIGO i Hanford planlægger at gøre det komplette datasæt tilgængeligt for uafhængige analyser fra andre hold.
Hvad er de næste skridt i jagten på mini-sorte huller
Holder fortolkningen af det primordialne sorte hul stand over for kritikken, kan man i de kommende år forvente en offensiv af ny forskning. Astronomer vil begynde at gennemsøge dataarkiver fra tidligere LVK-kampagner for at finde yderligere oversete signaler med objekter under solmassen. Parallelt hermed vil teoretikere begynde at tilpasse modeller for primordialne sorte hullers dannelse til de nye begrænsninger – hvor ofte de kunne opstå, hvilken typisk masse de antager, og om deres population reelt kan forklare det mørke stof.
Det indebærer en korrektion af scenarier for det unge univers’ evolution, herunder faser relateret til stoflets meget tidlige omdannelse. For lægfolk lyder hele emnet abstrakt, men det har overraskende konkrete konsekvenser. Hvis det mørke stof viser sig blot at være en sky af mini-sorte huller, ville det ændre måden, man planlægger fremtidige rummissioner, forudsiger signaler i neutrinodetektorer og designer eksperimenter med elementarpartikler.
En del af planlagte dyre installationer kunne miste sin berettigelse, og i stedet ville nye idéer med større fokus på gravitationsbølgeastronomi rykke frem. Hvert yderligere registreret signal med deltagelse af så små sorte huller giver mulighed for at teste gravitationsteorier under ekstreme betingelser. Det kan igen vise, hvor man skal søge efter ny fysik, der går ud over den generelle relativitetsteori og standardmodellen for partikler. Det er netop fra sådanne tilsyneladende hermetiske forskningsfelter, at teknologier ofte vokser frem, som år senere finder vej ind i hverdagen – fra satellitnavigation til avancerede metoder inden for medicinsk billeddiagnostik.
