Har fysikere netop sporet det første urtidsmini-sort hul?

Et signal, der ikke passer ind i nogen kendt kategori

Forskere tilknyttet gravitationsbølgedetektorerne LIGO, Virgo og Kagra har registreret et usædvanligt "skælv" i selve rumtiden. Analysen peger på, at et objekt lettere end Solen var involveret i en kosmisk kollision — alt for lille til at passe på nogen kendt type sort hul. Spekulationerne vokser: kan dette være det første spor af et såkaldt primordielt sort hul, dannet i kosmossets allerførste øjeblikke?

Signatur S251112cm: hændelsen der ikke vil lade sig forklare

Det hele begyndte med registreringen af en hændelse katalogiseret som S251112cm. Det er endnu en post i listen over gravitationsbølger — rynker i rumtiden, der opstår ved sammenstød mellem ekstremt massive objekter, typisk sorte huller eller neutronstjerner.

For teamet bag LVK-netværket (LIGO–Virgo–Kagra) er sådanne hændelser nærmest hverdag. Men denne gang var noget tydeligt galt. Et af de to objekter, der ramte hinanden, havde en masse på blot mellem 0,1 og 0,87 solmasser.

Dataene viser med en sandsynlighed på over 99 %, at mindst ét af objekterne vejede mindre end Solen — og det scenarie passer slet ikke ind i standardmodellerne for stjernernes udvikling.

Forskerne gennemgik de oplagte forklaringer. En neutronstjerne? En hvid dværg? Disse objekter kan ganske rigtigt være lettere end Solen. Problemet er, at kollisioner med den slags legemer normalt ledsages af elektromagnetiske udbrud: gammablus, langvarige efterglød i synligt lys eller røntgenstråling.

Denne gang så teleskoperne ingenting. Der blev udelukkende registreret gravitationsbølger — præcis som ved en klassisk kollision mellem to sorte huller.

Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul

For at et typisk sort hul kan opstå, skal en massiv stjerne afslutte sit liv i en spektakulær katastrofe. Kernen kollapser under sin egen tyngde, mens de ydre lag kastes ud i en supernova. Fysikken bag sådanne sammenbrud sætter imidlertid en nedre grænse for, hvor let et sort hul kan være.

• Teoretisk nedre massegrænse for stjernedannede sorte huller: cirka 3 solmasser.
• Typisk masseinterval for stellare sorte huller: fra nogle få til flere titusinde solmasser.
• Hændelsen S251112cm: et objekt med en masse under 1 solmasse.

De nuværende modeller for stjernernes evolution er klare: en almindelig stjerne kan ikke danne et sort hul så lille som det, gravitationsbølgeanalysen antyder. Hvis signalet virkelig stammer fra et miniatureSort hul, må det være opstået gennem en helt anden proces.

Urtidssorte huller: Stephen Hawkings eksotiske idé

Her træder de såkaldte primordielle sorte huller ind på scenen — en teoretisk mulighed, der har været diskuteret i årtier, blandt andre af Stephen Hawking. I modsætning til klassiske sorte huller opstod de ikke fra stjerner. Deres oprindelse går tilbage til brøkdele af et sekund efter Big Bang.

Det ultraunge univers var præget af ekstreme betingelser: ufattelige temperaturer, enorme tætheder og voldsomme udsving i materiens fordeling. I visse regioner kunne stof have hobet sig så tæt sammen, at et lokalt gravitationsbrønd kollapsede uden nogen stjerne som mellemled — og direkte dannede et sort hul.

Det scenarie, som forskerne foreslår, indebærer, at objektet blev dannet under den fase, der er forbundet med kvantefarvodynamik, blot få mikrosekunder efter kosmossets begyndelse — en epoke, hvor selv de første stjerner endnu ikke eksisterede.

Hvis fortolkningen er korrekt, kan LVK for første gang have registreret et signal fra en kollision, der involverede netop et sådant urtidssort hul. Det viser, at gravitationsbølger er ved at blive et redskab, der ikke blot belyser eksotiske stjerner, men også universets allerældste øjeblikke.

Et mini-sort hul på størrelse med en by

Hvad betyder det egentlig at have et sort hul med en masse på 0,87 solmasser? Tallet virker ikke dramatisk lille — indtil man ser på størrelsen. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt med en diameter på blot omkring 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 tæthedsbetingelser synes kun mulige i den tidlige periode umiddelbart efter Big Bang, da materien gennemgik voldsomme faseskift.

Mørkt stof: er den mystiske masse en sværm af mini-huller?

Hvis fortolkningen af S251112cm som et spor af et primordielt sort hul holder, rækker konsekvenserne langt ud over blot at klassificere et eksotisk objekt. Spørgsmålet om mørkt stofs natur er nemlig på spil.

Astronomer har i årevis vidst, at synlig materie — stjerner, gas, støv — kun udgør en lille del af det kosmiske puslespil. Galaksers og galaksehoberes adfærd samt store kosmiske strukturer påvirkes af en ekstra masse, der er usynlig i alle bølgelængder. Den er blevet kaldt mørkt stof.

I årtier har man søgt efter hypotetiske nye partikler — fra de kendte WIMP'er til eksotiske lette bosoner. Eksperiment efter eksperiment i underjordiske partikeldetektorer sluttede dog i tavshed. I det lys er minisorte huller begyndt at fremstå som et stadig mere seriøst alternativ.

Analysen antyder, at med det rette antal og den rette massefordeling kunne primordielle sorte huller forklare en betydelig del — og potentielt hele — mørkt stof, uden at man behøver at introducere helt nye elementarpartikler.

I dette scenarie ville universet være fyldt med utallige bittesmå sorte huller, diskret spredt ud i galaksernes halo og i det intergalaktiske rum. I det daglige ville de være praktisk taget usynlige, men deres samlede gravitationspåvirkning ville forklare den galakseopførsel, astronomer har observeret.

Forskerne bremser entusiasmen: foreløbig kun en stærk kandidat

Trods den tydelige begejstring i forskningsmiljøet holder forskerne sig tilbage. Den analyse, der er offentliggjort på arXiv og indsendt til et anerkendt fagtidsskrift, er endnu under peer review-processen. Forskerne taler eksplicit om en "kandidat" til et primordielt sort hul.

Det er stadig nødvendigt at undersøge, om signalet kan forklares på anden vis — for eksempel som resultatet af komplekse vekselvirkninger i ekstremt tætte stjernehobe. I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne multiple systemer, hvor en serie kollisioner og kapturinger genererer komplicerede gravitationsbølger.

Foreløbig ser fortolkningen om det primordielle sorte hul ud til at være den enkleste og den, der bedst stemmer overens med dataene. Men fysikerne mangler stadig ét afgørende element: en gentagelse.

Hvis detektorerne i den igangværende observationskampagne registrerer et andet, lignende signal med et objekt under Solens masse, vil hypotesen om primordielle sorte huller få en helt anden tyngde — og bevæge sig fra teoretisk kuriositet til en ny kategori af reelle kosmiske objekter.

Sådan virker rumtids-"lytterne" LIGO, Virgo og Kagra

Gravitationsbølger er mikroskopiske rynker 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 gennem Jorden, forkorter den en af interferometerets arme, mens den forlænger den anden. Ændringen er mindre end en protons diameter, men det følsomme udstyr formår at aflæse den.

• LIGO – to detektorer i USA, som som de første registrerede gravitationsbølger i 2015.
• Virgo – det europæiske interferometer, der øger præcisionen ved lokalisering af kilder på himlen.
• Kagra – den japanske detektor, der er nedkølet til meget lave temperaturer og bygget i en tunnel under et bjerg.

Takket være samarbejdet mellem disse tre instrumenter kan forskere ikke blot måle bølgernes form, men også rekonstruere parametre for de objekter, der skabte dem: masse, afstand og endda rotation. Netop denne metode afslørede, at hændelsen S251112cm involverede et objekt med en masse under Solens.

Hvad er egentlig en gravitationsbølge?

I store træk kan den sammenlignes med en bølge på vand — men den breder sig ikke gennem vand, den breder sig gennem selve rummets struktur. Når enorme masser som sorte huller kredser om hinanden og kolliderer, "rører de rundt" i rumtiden med en sådan kraft, at virkningen af denne storm når frem milliarder af lysår borte.

LIGO og de øvrige detektorer registrerer ikke et billede af objektet, men en præcis registrering af, hvordan interferometerets armlængder ændrer sig. Ud fra denne kurve tilpasser computeren den bedste kollisionsmodel og udleder informationer om de involverede objekters masser og typer.

Hvad sker der nu: jagten på flere mini-huller og konsekvenserne for fysikken

Hvis fortolkningen om det primordielle sorte hul overlever kritikken, kan man i de kommende år forvente en offensiv af nye undersøgelser. Astronomer vil gennemsøge dataarkiver fra tidligere LVK-kampagner for at finde andre, oversete signaler fra objekter under Solens masse.

Sideløbende vil teoretikere justere modellerne for dannelsen af primordielle sorte huller i forhold til de nye begrænsninger: hvor hyppigt de kan have opstået, hvilken typisk masse de har, og om deres population virkelig kan forklare mørkt stof. Det indebærer en revision af scenarierne for det unge univers' udvikling, herunder meget tidlige faser af materieomdannelse.

For lægfolk lyder emnet abstrakt, men det har overraskende konkrete konsekvenser. Hvis mørkt stof viser sig blot at være en sky af minisorte huller, ville det forandre den måde, fremtidige rummissioner planlægges på, ændre forudsigelserne for signaler i neutrinodetektorer og influere designet af eksperimenter med elementarpartikler. Visse planlagte, kostbare anlæg kunne miste deres formål, mens nye idéer med større fokus på gravitationsbølgeastronomi ville vinde frem.

Det er værd at præcisere et par begreber for dem, der følger emnet. Mørkt stof "suger" ikke energi fra stjerner og udgør ikke nogen direkte trussel mod Jorden — dets påvirkning er i praksis udelukkende gravitationel. Hvis det består af minisorte huller, er deres tæthed i vores nærhed så lav, at chancen for en tæt møde med et af dem er forsvindende lille set over hele menneskhedens historie.

Langt mere interessante er de langsigtede erkendelsesmæssige gevinster. Hvert nyt registreret signal med så små sorte huller giver mulighed for at teste gravitationsteorier under ekstreme betingelser. Det kan til gengæld pege på, hvor man skal søge efter ny fysik, der rækker ud over den generelle relativitetsteori og standardmodellen for partikler. I praksis er det netop fra den slags tilsyneladende hermetiske undersøgelser, at teknologier ofte opstår, som årtier senere finder vej til hverdagen — fra satellit-navigation til avancerede metoder inden for medicinsk billeddannelse.