Et uventet gravitationsbølgesignal sætter forskerne i undren
Et usædvanligt signal fra verdensrummet har overrasket fysikere verden over. Målingerne peger på et objekt så let, at det simpelthen ikke passer ind i nogen kendte stjernefysiske modeller — og det har antændt en af de mest spændende debatter i moderne kosmologi.
Forskere fra samarbejdet LIGO–Virgo–Kagra har analyseret en registrering af to kompakte objekters kollision, betegnet S251112cm. Da de regnede masserne ud, viste det sig, at det ene objekt vejer mindre end vores Sol. Ifølge klassisk astrofysik burde et sådant sort hul slet ikke eksistere. Netop derfor mener en del forskere nu, at vi måske ser det første spor nogensinde af et såkaldt primordialt sort hul — dannet kort efter Big Bang.
Gravitationsbølger bringer en kosmisk gåde med sig
Det hele begynder med det, der tilsyneladende er en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger via detektornetværket bestående af LIGO, Virgo og det japanske Kagra. Disse enorme interferometre måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle, der opstår, når gravitationsbølger passerer gennem Jorden.
De fleste sådanne signaler stammer fra kollisioner mellem sorte huller med masser svarende til ti til fyrre gange Solens masse. Men analysen af hændelsen S251112cm afslørede noget bemærkelsesværdigt: ét af de to sammensmeltendebjekter har en masse et sted mellem en tiendedel og knap én solmasse.
Et så let sort hul passer ikke ind i rammerne for kendte stjerneudviklingsprocesser. Det er et alvorligt tegn på, 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, skulle det også have kunnet registreres i lys — gammastråler, røntgenstråling eller i det mindste synligt lys. Men ingen ledsagende lysglimt blev fundet overhovedet. Det efterlader et langt mere eksotisk scenarie som den eneste reelle 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 opstår 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 cirka 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en mellemstor by. Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være omtrent 5 kilometer — en afstand man roligt kan løbe på en halv time. Og alligevel taler vi 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 stjerneevolution ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse gennem en stjernekernes normale kollaps.
Et aftryk fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Derfor vender forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, blikket meget længere tilbage i tid — til en periode, hvor universet var yngre end en millionstedel af et sekund. I denne fase opførte stof sig fundamentalt anderledes end i dag: den såkaldte kvark-gluon-plasma dominerede, og tætheder og temperaturer var ubegribelige.
Allerede i 1970'erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsfluktuationer i dette miljø kunne kollapse under deres egen tyngdekraft og derved skabe en hel population af miniaturesorte huller. Disse fik betegnelsen primordiale sorte huller.
Holdet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra, der er forbundet med kvantefarvodynamikkens fysik, blot få mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie holder stik, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige tegn på, at sådanne objekter faktisk har overlevet frem til i dag. Det ville betyde, at universet allerede i sine allerførste øjeblikke begyndte at producere sorte huller i mængder, man hidtil kun havde talt om i ligninger.
Er mørkt stof et hav af miniaturesorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordialt sort hul med problemet om mørkt stof. Det har i årtier været velkendt, at synlig materie — stjerner, gas og støv — kun udgør en lille del af kosmossets samlede masse. Omkring 85 procent består af en usynlig komponent, der kun afslører sig selv via tyngdekraft.
Mange forskergrupper har hidtil ledt efter partikler, der kunne forklare denne manglende bestanddel, såsom WIMP'er registreret i underjordiske detektorer. Disse søgninger har endnu ikke givet et entydigt resultat, 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 det mørke stof.
Den nye analyse antyder, at det opdagede objekt passer ind i et sådant scenarie. Massesignaturen stemmer overens med forudsigelserne fra visse modeller for populationer af primordiale sorte huller. I denne vision er mørkt stof ikke eksotiske partikler, vi ikke kan spore, men utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden de tidligste epoker.
Et lovende, men endnu ikke afgørende signal
Trods begejstringen dæmper en del forskere forventningerne. Estimaterne angiver, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent, men fortolkningen kræver forsigtighed. Der eksisterer stadig mere komplekse scenarier knyttet til systemer med mange objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Holdet betegner derfor foreløbig objektet som en "kandidat" til et primordialt sort hul. For at bevæge sig fra antydning til solid konklusion har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne i LVK-netværket er afgørende her: 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-solmasse sorte huller, vil fysikere være nødt til at omskrive kapitlerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur i lærebøgerne.
Hvordan fungerer en gravitationsbølgedetektor?
For bedre at forstå det aktuelle signals betydning er det værd at vide, hvad LIGO og Virgo faktisk måler. Det er anlæg, hvor en laserstråle løber i to vinkelrette arme og reflekteres mellem spejle adskilt af flere kilometer. Når en gravitationsbølge passerer gennem detektoren, komprimerer den én akse minimalt og forlænger den anden.
Ændringen i armlængde er mindre end en brøkdel af en protons diameter, men avanceret interferometri gør det muligt at opfange den. Ud fra formen af det registrerede "kvidren" af gravitationsbølger aflæser forskerne masser, afstand og typen af de kolliderende objekter.
- Signalets varighed fortæller om komponenternes masser,
- amplituden afspejler kildens afstand,
- slutfrekvensen giver mulighed for at estimere det dannede objekts masse,
- fraværet af et lyssignal hjælper med at udelukke neutronstjerner.
I tilfældet S251112cm passede alle disse elementer sammen til et billede af et system, hvor den ene deltager har en usædvanlig lav masse. Præcis dette detalje har vakt så stor interesse.
Hvad ville en bekræftelse af primordiale sorte huller betyde?
Hvis fremtidige observationer støtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter en række konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at undersøge ekstremt tidlige epoker — langt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske baggrundsstråling stammer. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der husker betingelserne i de første mikrosekunder af kosmossets eksistens.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve revision. En yderligere population af tætte, kompakte objekter ændrer den måde, materie samles på, hvordan halos af mørkt stof vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelsfysikere er det også et vigtigt signal om, at søgningen efter eksotiske partikler måske har et smallere spillerum, hvis sorte huller spiller en langt større rolle end hidtil antaget.
Sådan kan man forestille sig det
For dem uden for det videnskabelige miljø lyder begreber som "kvantefarvodynamikkens æra" som ren abstraktion. En simpel analogy hjælper: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant stiger op og forsvinder igen. I det meget tidlige univers var sådanne "bobler" fortætninger af stof. De fleste spredte sig efterhånden som universet udvidede sig — men nogle var så tætte, at de kollapsede ind over sig selv og dannede sorte huller.
I de efterfølgende milliarder af år ville disse objekter cirkulere næsten usynlige mellem og inden i galakser, og lejlighedsvis støde sammen med hinanden. Det er netop i sådanne sjældne kollisioner, de producerer gravitationsbølger, som jordens detektorer i dag kan opfange. Hvert sådant signal fungerer dermed som et postkort sendt fra kosmossets allerførste øjeblikke.
