Et usædvanligt gravitationsbølgesignal sætter fysikere i chok
Et mystisk gravitationsbølgesignal har fuldstændig overrasket det internationale forskersamfund. De indsamlede data peger på et objekt så let, at det simpelthen 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 regnede masserne ud på de to kollisionsobjekter, viste det sig, at det ene vejer mindre end vores Sol. 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 for første gang nogensinde ser et spor af et såkaldt primordialt sort hul — dannet umiddelbart efter Big Bang.
Gravitationsbølger afslører et kosmisk mysterium
Det hele begynder med det, der tilsyneladende er en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger fra netværket af detektorer: LIGO, Virgo og det japanske Kagra. Disse gigantiske interferometre måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle, forårsaget af gravitationsbølgers passage gennem Jorden.
De fleste sådanne signaler stammer fra kollisioner mellem sorte huller med masser på ti til flere titusinde solmasser. Denne gang afslørede analysen af hændelse S251112cm noget bemærkelsesværdigt: ét af de to objekter, der fusionerede, har en masse i intervallet fra cirka en tiendedel til lidt under én solmasse.
Et så let sort hul falder helt uden for rammerne af kendte processer i stjernernes evolution. Det er et stærkt tegn på, at vi har med en helt anden fødselsmekanisme at gøre.
Forskerne tjekkede straks de mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, skulle det også have kunnet registreres i lys — i form af gammastråler, røntgenstråler eller i det mindste optisk lys. Eftersøgningen af et ledsagende lysglimt gav imidlertid intet resultat. Dermed stod kun det langt mere eksotiske scenarie tilbage.
Et sort hul på størrelse med 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 kollaps af en massiv stjerne, er meget tungere — ifølge aktuelle modeller skal det veje mindst cirka tre solmasser.
For et objekt med en masse på omtrent 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en større dansk provinsby. Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være cirka 5 kilometer — en afstand, man roligt kan løbe på en halv time. Og alligevel taler vi om at pakke næsten hele Solens masse ind i den skala.
For at skabe noget så ekstremt kræves betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik ikke tillader dannelse af et sort hul med så lav en masse gennem almindeligt kernekollaps.
Et aftryk fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Derfor retter forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, blikket meget længere tilbage i tid — til en periode, hvor Universet var mindre end en milliontedel sekund gammelt. I den periode opfører materie sig fundamentalt anderledes end i dag: den såkaldte kvark-gluon-plasma dominerede, og tætheder og temperaturer var ufatteligt ekstreme.
Allerede i 1970'erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under egen tyngde og danne en hel befolkning af miniature sorte huller. De fik betegnelsen primordiale sorte huller.
Forskerholdet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra, der er forbundet med kvantekromodynamikkens fysik, nogle få mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige fingerpeg om, at sådanne objekter virkelig har overlevet 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 mørkt stof et hav af miniature sorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordialt sort hul med problemet om såkaldt mørkt stof. I årtier har man vidst, at synlig materie — stjerner, gas, støv — kun udgør en lille del af kosmossets samlede masseregnskab. Cirka 85 procent består af en usynlig komponent, der kun giver sig til kende via tyngdekraften.
Mange forskergrupper har hidtil ledt efter partikler, der kan forklare denne manglende bestanddel, såsom WIMP'er registreret i underjordiske detektorer. Disse søgninger har endnu ikke givet noget entydigt resultat, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer.
Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkelig antal og inden for det rette masseinterval, 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 den 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 entusiasmen dæmper nogle forskere forventningerne. Estimaterne siger, 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 et primordialt sort hul. For at gå fra antydning til en solid konklusion har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne fra LVK-netværket er her afgørende: detektorerne opnår stadig højere følsomhed, og chancen for nye registreringer vokser med hvert år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne omsætte den spændende 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 afsnittene i lærebøgerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur.
Sådan fungerer en gravitationsbølgedetektor
For bedre at forstå vægten af det aktuelle signal er det værd at vide, hvad LIGO og Virgo egentlig måler. Det er anlæg, hvor en laserstråle løber i to vinkelrette arme og reflekteres af spejle adskilt af flere kilometer. Når en gravitationsbølge passerer gennem detektoren, komprimerer den minimalt den ene akse 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. Fra formen af det registrerede "kvidren" af gravitationsbølger aflæser forskerne masser, afstand og typen af de kolliderende objekter.
- Signalets varighed giver information om masserne af parretes komponenter.
- Amplituden afspejler kildens afstand.
- Slutfrekvensen giver mulighed for 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 én af deltagerne har en usædvanligt lav masse. Det er præcis dette detalje, der har vakt så stor interesse.
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 redskab til at undersøge ultratidlige epoker — langt tidligere end den periode, hvorfra baggrundsstrålingen stammer. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der husker betingelserne i kosmossets første mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve revision. En yderligere befolkning af tætte, kompakte objekter ændrer den måde, materie samles på, hvordan mørkt stofs haloer vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelfysikere er det ligeledes et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler måske har et smallere spillerum, hvis sorte huller spiller hovedrollen.
Hvordan kan en ikke-specialist forestille sig det?
For folk uden for det videnskabelige miljø lyder begreber som "kvantekromodynamikkens æra" som ren abstraktion. Et enkelt billede hjælper: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant stiger op og falder ned. I det meget tidlige kosmos 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 lejlighedsvis kollidere med hinanden. Det er netop i disse sjældne kollisioner, at de genererer gravitationsbølger, som jordens detektorer fanger i dag. Hvert sådant signal fungerer dermed som et postkort sendt fra kosmossets allerførste øjeblikke.
