Et mystisk signal fra verdensrummet sætter fysikere på overarbejde
Et usædvanligt gravitationsbølgesignal har efterladt forskere målløse. De indsamlede data peger på et objekt så let, at det simpelthen ikke passer ind i nogen kendte modeller for stjernedannelse.
Forskere fra LIGO–Virgo–Kagra-samarbejdet har analyseret en registrering af to kompakte objekters kollision, katalogiseret som S251112cm. Da de regnede på masserne af de involverede objekter, viste det sig, at det ene vejer mindre end Solen. Ifølge klassisk astrofysik burde et sådant sort hul slet ikke eksistere. Det er præcis derfor, at en del forskere nu taler om, at vi måske ser det første spor nogensinde af et såkaldt primordialt sort hul — dannet umiddelbart efter Big Bang.
Gravitationsbølger bringer et kosmisk mysterium med sig
Det hele starter med, hvad der umiddelbart ligner en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger fra netværket af detektorer — LIGO, Virgo og det 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 kollisioner mellem sorte huller med masser svarende til ti eller tredive solmasser. Denne gang afslørede analysen af begivenheden S251112cm noget ganske særligt: ét af de to sammenstødende objekter har en masse på et sted mellem cirka en tiendedel og lidt under én solmasse.
Et så let sort hul passer ikke ind i rammen for kendte processer inden for stjernernes evolution. Det er et stærkt signal om, at vi har at gøre med en helt anden dannelsesmekanisme.
Forskerne undersøgte straks de mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, burde man også kunne registrere det i lys — i form af gammastråler, røntgenstråling eller i det mindste synligt lys. Men ingen ledsagende lysglimt blev fundet. Det efterlader et langt mere eksotisk scenarie som den eneste mulighed.
Et sort hul mindre end en by
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 have mindst omkring tre solmasser.
For et objekt med en masse på cirka 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en større by. Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være omtrent 5 kilometer — en afstand, man roligt kan løbe på en halv time. Og vi taler altså om at pakke næsten hele Solens masse ned i den skala.
For at skabe noget så ekstremt kræves betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik simpelthen ikke tillader dannelse af et sort hul med så lav en masse via et almindeligt kernekollaps.
Et aftryk fra universets allerførste mikrosekunder
Netop derfor retter analysens forfattere, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, blikket langt tilbage i tiden — til den periode, da universet var yngre end en milliontedel af et sekund. I den epoke opfører stof sig radikalt anderledes end i dag: det domineres af det såkaldte kvark-gluon-plasma, og tætheder og temperaturer er fuldstændig ufattelige.
Allerede i 1970'erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale fluktuationer i tætheden under sådanne forhold kunne kollapse under deres egen vægt og dermed skabe en hel population af miniature sorte huller. Disse fik betegnelsen primordiale sorte huller.
Teamet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra, der er knyttet til kvantemkromodynamikkens fysik, blot få mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige bevis for, at sådanne objekter faktisk har overlevet til vore dage. Det ville betyde, at universet allerede i sine allerførste øjeblikke begyndte at producere sorte huller i et omfang, man hidtil kun har talt om i ligninger.
Er mørk materie et hav af miniature sorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne kobler denne kandidat til et primordialt sort hul med problemet om såkaldt mørk materie. I årtier har man vidst, at synlig materie — stjerner, gas og støv — kun udgør en lille del af universets samlede masse. Cirka 85 procent udgøres af en usynlig komponent, der kun røber sig gennem tyngdekraften.
Mange forskergrupper har hidtil ledt efter partikler, der kunne forklare denne manglende ingrediens, som eksempelvis WIMP'er registreret i underjordiske detektorer. Søgningerne har endnu ikke givet et entydigt svar, hvilket har åbnet døren for alternative idéer.
Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med den rette massefordeling, kan de udgøre en væsentlig del — måske endda 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 primordiale sorte huller. I den vision er mørk materie ikke eksotiske partikler, vi ikke kan spore, men utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden de tidligste epoker.
Et lovende signal — men endnu ikke afgørende
Trods entusiasmen dæmper en del forskere forventningerne. Estimaterne viser, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent, men fortolkningen kræver fortsat forsigtighed. Der eksisterer stadig mere komplekse scenarier knyttet til systemer med flere objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Derfor betegner teamet foreløbigt objektet som en "kandidat" til et primordialt sort hul. For at bevæge sig fra antydning til solidt bevis har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne i LVK-netværket spiller en afgørende rolle: detektorerne opnår stadig højere følsomhed, og chancen for nye registreringer vokser år for år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en intrigerende hypotese til et nyt kapitel i kosmologien.
Hvis flere uafhængige hændelser bekræfter eksistensen af en hel klasse af sub-solære sorte huller, vil fysikere være nødt til at omskrive kapitlerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørk materiens natur i lærebøgerne.
Hvordan fungerer en gravitationsbølgedetektor?
For at forstå vægten af det aktuelle signal er det værd 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 med kilometers mellemrum. Når en gravitationsbølge passerer gennem 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 interferometri gør det muligt at opfange den. Fra formen af det registrerede "kvidren" af gravitationsbølger kan forskerne aflæse masser, afstand og typen af de sammenstødende objekter.
- Signalets varighed giver information om komponenternes masser.
- Amplituden afspejler kildens afstand.
- Den endelige frekvens giver et skøn over det dannede objekts masse.
- Fraværet af lysemission hjælper med at udelukke neutronstjerner.
I tilfældet S251112cm satte alle disse elementer sig sammen til et billede af et system, hvor den ene deltager har en usædvanligt lav masse. Det er netop dette detalje, der har vakt så stor opsigt.
Hvad ville en bekræftelse af primordiale sorte huller ændre?
Hvis fremtidige observationer støtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter en serie af konsekvenser. Kosmologien vil få et nyt redskab til at studere ultra早e epoker — langt tidligere end den periode, baggrundsstrålingen stammer fra. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der husker betingelserne i universets allerførste mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve revision. En ekstra population af tætte, kompakte objekter ændrer den måde, stof akkumuleres på, hvordan haloer af mørk materie vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelfysikere er det desuden et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler måske har et smallere spillerum, hvis sorte huller spiller en langt større rolle end hidtil antaget.
Hvordan kan en ikke-forsker forestille sig det?
For folk uden for det videnskabelige miljø lyder begreber som "kvanmekromodynamikkens æra" som ren abstraktion. Et simpelt billede hjælper: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant stiger op og falder ned. I det meget tidlige univers var sådanne "bobler" fortætninger af stof. De fleste af dem spredte sig, efterhånden som universet udvidede sig — men nogle var så tætte, at de kollapsede om sig selv og dannede sorte huller.
I de følgende milliarder af år ville sådanne objekter kredse næsten usynligt mellem og inden i galakser og lejlighedsvis støde sammen med hinanden. Det er netop i sådanne sjældne kollisioner, at de udsender gravitationsbølger, som jordens detektorer i dag kan opfange. Hvert sådant signal fungerer altså som et postkort sendt fra universets allerførste øjeblikke.
