En uventet kosmisk rystelse sætter astrofysikken på prøve
En overraskende vibration i universet har sat det videnskabelige samfund i alarmberedskab – og den kunne vise sig at være det kosmiske manglende led, som forskere har ledt efter i årtier.
Forskere har registreret et bemærkelsesværdigt signal i gravitationsbølger, der ikke stemmer overens med kendte stjerner eller sorte huller. Stadig flere tegn peger i retning af et teoretisk objekt fra universets allerførste tid: et såkaldt primordialt sort hul. Hvis det holder stik, rykker gåden om mørk materie pludselig markant tættere på en løsning.
Signal S251112cm: et lille objekt med store spørgsmål
Historien begynder med en gravitationsbølge, der fik betegnelsen S251112cm. Signalet blev opfanget af det internationale LVK-netværk, bestående af LIGO-detektorerne i USA, Virgo i Italien og KAGRA i Japan. Normalt registrerer dette netværk rystelserne fra sammensmeltende tunge sorte huller eller kollisionskurs-neutronstjerner.
Med S251112cm gik regnestykket simpelthen ikke op. Analysen viste, at ét af de to sammensmeltende objekter havde en masse på mellem cirka ti og firs procent af solens masse. Det er bemærkelsesværdigt af flere årsager:
- kendte sorte huller, dannet fra kollapsede stjerner, er mindst tre gange så tunge som solen;
- lettere, kompakte stjerner som neutronstjerner udsender typisk lys eller gammastråling – hvilket her var fraværende;
- signalet passede godt med en kompakt, ekstremt tæt kilde.
Da der ingen steder dukkede en lysblitz, eksplosion eller anden form for elektromagnetisk stråling op, har forskerne i vid udstrækning udelukket muligheder som en neutronstjerne eller hvid dværg. Tilbage sidder vi med et objekt, der opfører sig som et sort hul, men er alt for let til at være opstået gennem en normal stjernes livscyklus.
Et sort hul lettere end solen passer ikke ind i de eksisterende modeller for stjernedannelse og tvinger kosmologer til at se på de allerførste øjeblikke efter Big Bang.
Hvad er primordiale sorte huller egentlig?
Primordiale sorte huller er teoretiske sorte huller, der ikke opstår fra stjerner, men direkte fra ekstreme tæthedsfluktuationer i det nyfødte univers. Idéen går blandt andet tilbage til Stephen Hawking, der allerede i 1970'erne beregnede, at lokal sammenpresning af materie i de første brøkdele af et sekund efter Big Bang kunne danne sådanne objekter.
I den ultratidlige fase var universet ekstremt tæt, hedt og kaotisk. Ifølge forskerne bag den nye undersøgelse, herunder Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, kan der her være tale om et sort hul dannet under den såkaldte QCD-fase – en periode få mikrosekunder efter universets fødsel. I denne fase afkølede plasmaet af kvarker og gluoner til de protoner og neutroner, som almindelig materie er bygget op af.
Et sort hul på størrelse med en by
Et sort hul med 0,87 gange solens masse lyder måske ikke særlig lille, men dimensionerne er bedøvende kompakte. Den anslåede diameter er blot omkring 5 kilometer – omtrent som tværmålet af en mellemstor by.
Den enorme mængde masse i en så mikroskopisk sfære kan ikke presses sammen via kendte naturlove ved et sædvanligt stjernekollaps. Det kræver betingelserne fra universets spæde begyndelse, hvor tætheder og temperaturer overgik enhver forestilling.
Eksisterer et "by-sort-hul" virkelig, peger det næsten automatisk på en oprindelse i de første mikrosekunder efter Big Bang.
Forbindelsen til gåden om mørk materie
Mørk materie udgør et af kosmologiens mest hårdnakkede mysterier. Observationer af galakser, galaksehobe og den kosmiske baggrundsstråling viser, at der er langt mere masse til stede, end de synlige stjerner og gasskyer kan forklare. Hele 85 procent af al materie i universet er usynlig og reagerer knap nok med lys.
I årevis har fysikere søgt efter eksotiske partikler som WIMPs (svagt vekselvirkende massive partikler), men eksperimenter i underjordiske detektorer og partikelacceleratorer har hidtil ikke leveret noget overbevisende. Primordiale sorte huller tilbyder et alternativt billede.
Den nye undersøgelse viser, at hvis objekter som det sorte hul bag S251112cm virkelig er primordiale og forekommer i stort antal, kan de udgøre en betydelig andel af den mørke materie. I et ekstremt scenarie kunne praktisk talt al mørk materie bestå af sådanne mini-sorte-huller, spredt gennem og omkring galakser som vores egen Mælkevejen.
| Scenarie | Forklaring på mørk materie |
|---|---|
| Partikelmodel | Nye, endnu ukendte elementarpartikler (f.eks. WIMPs) |
| Primordiale sorte huller | Ældgamle mini-sorte-huller fra universets første øjeblikke |
| Hybridmodel | Kombination af eksotiske partikler og en andel primordiale sorte huller |
Hvert scenarie har sine begrænsninger. For mange primordiale sorte huller ville for eksempel mærkbart forstyrre fordelingen af stjerner i galakser eller fremkalde specifikke gravitationslinseeffekter. Den observerede struktur af universet sætter derfor strenge grænser for, hvor mange sådanne objekter der må eksistere. Forfatterne viser dog, at der inden for disse grænser stadig kan skjule sig en overraskende stor andel mørk materie i form af primordiale sorte huller.
Hvorfor champagnen endnu ikke kan åbnes
Uanset hvor forlokkende billedet ser ud, holder forskerne selv igen. I publikationen beskrives S251112cm som en stærk kandidat – ikke et endeligt bevist primordialt sort hul. Sandsynligheden for, at ét af objekterne er lettere end solen, ligger statistisk over 99 procent, men alternative scenarier skal stadig udelukkes grundigt.
Forskerne undersøger blandt andet, om komplekse vekselvirkninger i tætte stjernehobe kan spille en rolle. Det er tænkeligt, at objekter i sådanne ekstreme miljøer kan producere signaler, der ligner et let sort hul, uden at de reelt er primordiale. Ligeledes gennemgår man systematiske usikkerheder i målingerne og de anvendte modeller.
Først når flere uafhængige signaler fra sub-solemasse-sorte-huller dukker op, vil kosmologer for alvor turde tale om en ny æra inden for gravitationsastronomi.
Venter på næste observationsrunde
LVK-netværket kører i øjeblikket en ny serie observationer. Detektorerne er de seneste år blevet betydeligt mere følsomme, hvilket gør det muligt at opfange mindre og fjernere kollisioner. Et andet sammenligneligt signal ville i væsentlig grad styrke argumentet for primordiale sorte huller.
Hvis der i de kommende år dukker flere begivenheder op med sådanne lette sorte huller, bliver billedet uafviseligt. Så skal dele af den kosmiske historieskrivning skrives om – med en fremtrædende rolle til disse ældgamle, kompakte objekter.
Hvad er gravitationsbølger egentlig?
Gravitationsbølger er rynker i rumtiden, forudsagt af Albert Einstein i hans almene relativitetsteori. De opstår, når enorme masser accelererer, for eksempel når to sorte huller smelter sammen. I 2015 blev de målt direkte for første gang af LIGO, og siden da er gravitationsastronomi vokset til et hurtigt ekspanderende forskningsfelt.
I stedet for lys registrerer detektorerne mikroskopiske ændringer i afstanden mellem spejle – variationer mindre end en protons diameter. Ved at kombinere signaler fra flere detektorer kan forskerne rekonstruere kildens egenskaber: masse, rotation og i et vist omfang også afstand.
For offentligheden betyder dette, at vi ikke længere kun ser på universet, men også kan lytte til det. Det giver adgang til information om objekter, der udsender næsten ingen lys, som sammensmeltende sorte huller.
Nye muligheder og nye spørgsmål
Hvis primordiale sorte huller virkelig eksisterer, åbner det for mærkelige, men fascinerende perspektiver. I teorien kunne vores egen Mælkevej huse millioner af dem, vandrende gennem haloens ydre regioner rundt om den synlige galakseskive. De er så små og mørke, at ingen teleskop direkte kan observere dem – men deres tyngdekraft påvirker alligevel bevægelsen af stjerner og gas.
For rumfart eller livet på Jorden udgør dette ingen direkte trussel: sandsynligheden for, at et sådant mini-sort-hul nærmer sig Jorden, er astronomisk lille. Til gengæld giver sådanne objekter indsigt i forhold, der aldrig vil gentage sig – de allerførste brøkdele af et sekund af alt, hvad vi kender.
For studerende, amatørastronomer og videnskabsinteresserede byder denne type forskning på et rigt legefeld. Grundbegreber som masse, tæthed og tyngdekraft får en helt konkret dimension, når man tænker over, at et objekt med solens masse kan presses sammen til noget på størrelse med en by. Simulationer og populærvidenskabelige foredrag gør området stadig mere tilgængeligt – også uden matematisk baggrund.
I de kommende år vil gravitationsdetektorer blive yderligere forbedret, og der er planer om endnu kraftigere observatorier som Einstein Telescope og rumrejsemissionen LISA. Disse nye instrumenter kan måle lettere og ældre kilder og vil måske levere det afgørende bevis: er primordiale sorte huller en reel bestanddel af universet, eller forbliver mørk materie primært et spørgsmål om endnu uopdagede partikler?
