Et mystisk gravitationsbølgesignal sætter fysikere i vildrede
Et usædvanligt gravitationsbølgesignal har overrasket det videnskabelige samfund. De indsamlede data peger på et objekt så let, at det ikke passer ind i nogen kendte stjernefysiske modeller.
Forskere fra LIGO–Virgo–Kagra-samarbejdet har analyseret en registrering af en kollision mellem to kompakte objekter, betegnet S251112cm. Da de beregnede masserne af de involverede parter, viste det sig, at det ene objekt vejer mindre end Solen. Ifølge klassisk astrofysik burde et sådant sort hul simpelthen ikke eksistere. Det er netop derfor, at en del forskere nu taler om, at vi muligvis ser det første spor nogensinde af et såkaldt primordialt sort hul — dannet umiddelbart efter Big Bang.
Gravitationsbølger afslører et kosmisk mysterium
Det hele begynder med det, der umiddelbart ligner en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger fra netværket af detektorer: LIGO, Virgo og det japanske Kagra. Disse enorme interferometre måler mikroskopisk små ændringer i afstanden mellem spejle, forårsaget af gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden.
De fleste sådanne signaler stammer fra sammenstød mellem sorte huller med masser svarende til ti eller tredive gange Solens masse. Men denne gang afslørede analysen af begivenheden S251112cm noget bemærkelsesværdigt: ét af de to sammensmeltende objekter har en masse i intervallet fra cirka én tiendedel op til lidt under én solmasse.
Et så let sort hul passer ikke ind i rammerne for kendte processer inden for stjernernes udvikling. Det er et stærkt signal om, at vi har at gøre med en helt anden dannelsesmekanisme.
Forskerne tjekkede straks mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, ville man forvente at registrere det også som lys — i form af gammastråler, røntgenstråler eller i det synlige spektrum. Eftersøgningen af et ledsagende lysglimt gav imidlertid intet resultat. Dermed stod et langt mere eksotisk scenarie tilbage.
Et sort hul mindre end en by
Objekter med en masse sammenlignelig med Solens, som vi kender fra astronomiske kataloger, er for det meste meget tætte neutronstjerner. Et typisk sort hul dannet ved kollaps af en massiv stjerne er langt tungere — ifølge gældende modeller skal det veje mindst cirka tre solmasser.
For et objekt med en masse på omkring 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner sammenlignelige med en mellemstor by. Diameteren af en sådan rumtids-fælde ville være cirka 5 kilometer — en afstand man sagtens kan løbe på en halv time. Og vi taler altså om at pakke næsten hele Solens masse ind på den skala.
For at skabe noget så ekstremt kræves betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at klassisk stjerneevolutionsfysik ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse gennem et ordinært stjernekollaps.
Et spor fra universets første mikrosekunder
Derfor retter analysens forfattere, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, blikket meget længere tilbage i historien — til den tid, da universet var yngre end en milliontedel af et sekund. I den periode opfører materie sig fundamentalt anderledes end i dag: den såkaldte kvark-gluon-plasma dominerer, og tætheder og temperaturer er nærmest ubegribelige.
Allerede i 1970'erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under deres egen tyngdekraft og danne en hel population af miniature sorte huller. Disse fik navnet primordiale sorte huller.
Holdet foreslår, at det analyserede objekt kan være dannet netop i den æra, der er forbundet med kvantefarvekraftfysikken, et par mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie holder stik, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige fingerpeg om, 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 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 det primordiale sorte hul med problemet om såkaldt mørk materie. Det har i årtier været klart, at synlig materie — stjerner, gas og støv — kun udgør en lille del af det kosmiske masseregnskab. Omkring 85 procent består af en usynlig komponent, der kun manifesterer sig via tyngdekraft.
Mange forskergrupper har hidtil søgt efter partikler, der kunne forklare denne manglende bestanddel — eksempelvis WIMP'er registreret i underjordiske detektorer. Disse søgninger har endnu ikke givet entydige resultater, hvilket har banet vejen for alternative idéer.
Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og masseinterval, kan de udgøre en væsentlig del — eller måske endda hele — af den mørke materie.
Den nye analyse antyder, at det opdagede objekt passer til et sådant scenarie. Massesignaturen stemmer overens med forudsigelserne fra visse modeller for populationer af primordiale sorte huller. I et sådant verdensbillede 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
Til trods for begejstringen dæmper en del forskere forventningerne. Estimater viser, 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 flere objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Derfor betegner holdet foreløbig objektet som en "kandidat" til at være et primordialt sort hul. For at gå fra antydning til solid konklusion har fysikerne brug for flere lignende begivenheder. Den igangværende observationskampagne med LVK-netværket er her afgørende: detektorerne opnår stadig større følsomhed, og chancen for nye registreringer vokser med hvert år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en spændende hypotese til et nyt kapitel i kosmologien.
Hvis flere uafhængige begivenheder bekræfter eksistensen af en hel klasse sub-solmasse sorte huller, vil fysikere være nødt til at revidere lærebøgernes kapitler om Big Bang, tidlig kosmologi og mørk materiens natur.
Sådan fungerer en gravitationsbølgedetektor
For bedre at forstå betydningen af det aktuelle signal er det nyttigt at vide, hvad LIGO og Virgo egentlig måler. Det er anlæg, hvor en laserstråle løber gennem to vinkelrette arme og reflekteres fra spejle adskilt af flere kilometer. Når en gravitationsbølge passerer detektoren, komprimerer den minimalt den ene akse og forlænger den anden.
Ændringen i armlængden er mindre end en brøkdel af en protons diameter, men avanceret interferometri gør det muligt at registrere den. Fra formen af det registrerede "kvidren" af gravitationsbølger kan forskere aflæse masser, afstande og typen af de sammenstødende objekter.
- Signalets varighed giver oplysninger om masserne af de to komponenter
- Amplituden afspejler afstanden til kilden
- Slutfrekvensen gør det muligt at estimere massen af det dannede objekt
- Fraværet af et lyssignal 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. Netop dette detalje har vakt så stor opmærksomhed.
Hvad ville en bekræftelse af primordiale sorte huller ændre?
Hvis fremtidige observationer støtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter en række konsekvenser. Kosmologien ville få et redskab til at undersøge ultraTidlige epoker — langt tidligere end den periode, kosmisk baggrundsstråling stammer fra. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der husker forholdene i de første mikrosekunder af universets eksistens.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve justering. En yderligere population af tætte, kompakte objekter ændrer den måde, materie samler sig 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 afgørende rolle.
Hvordan kan man forestille sig det som lægmand?
For folk uden for det videnskabelige miljø lyder begreber som "kvantefarvekraftæraen" som ren abstraktion. En enkel analogi hjælper: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant opstår og forsvinder. I det meget tidlige univers var sådanne "bobler" fortætninger af materie. De fleste spredte sig, da universet udvidede sig — men nogle var så tætte, at de kollapsede ind i sig selv og dannede sorte huller.
I de efterfølgende milliarder af år ville sådanne objekter kredse næsten usynligt mellem og inden i galakser, og indimellem støde sammen med hinanden. Det er netop ved sådanne sjældne kollisioner, at de udsender gravitationsbølger, som jordiske detektorer i dag kan opfange. Hvert sådant signal fungerer dermed som et postkort sendt fra universets allerførste øjeblikke.
