Et usædvanligt gravitationsbølgesignal sætter fysikerne i chok
Et mærkeligt gravitationsbølgesignal har efterladt fysikerne målløse. De indsamlede data peger på et objekt så let, at det simpelthen ikke passer ind i nogen kendt model for stjernedannelse.
Forskere fra LIGO–Virgo–Kagra-samarbejdet har analyseret en registrering af to kompakte objekters sammenstød, betegnet S251112cm. Da de regnede masserne ud, viste det sig, at det ene objekt vejer mindre end Solen. Ifølge klassisk astrofysik burde et sådant sort hul slet ikke kunne eksistere. Det er præcis derfor, at nogle forskere nu siger, at vi måske ser det første spor nogensinde af et såkaldt primordialt sort hul – dannet umiddelbart efter Big Bang.
Gravitationsbølger bringer en kosmisk gåde med sig
Det hele starter med, hvad der ligner en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger fra netværket af detektorer LIGO, Virgo og japanske Kagra. Disse gigantiske interferometre måler mikroskopiske ændringer i afstanden mellem spejle, fremkaldt af gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden.
De fleste sådanne signaler stammer fra sammenstød mellem sorte huller med masser svarende til ti eller tredive solmasser. Men analysen af hændelsen S251112cm afslørede noget exceptionelt: ét af de to fusionerende objekter har en masse et sted mellem cirka en tiendedel og lidt under én solmasse.
Et så let sort hul passer ikke ind i nogen kendte processer for stjernernes evolution. Det er et stærkt signal om, at vi har at gøre med en helt anden dannelsesmekanisme.
Forskerne undersøgte straks mere traditionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra et sammenstød mellem neutronstjerner eller hvide dværge, skulle det også have kunnet registreres som lys – i form af gammastråler, røntgenstråling eller i det mindste synligt lys. Men eftersøgningen efter et ledsagende lysglimt gav intet resultat. Det efterlader et langt mere eksotisk scenarie på bordet.
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 dannes ved kollaps af en massiv stjerne, er meget tungere – ifølge nuværende modeller skal det veje mindst cirka tre solmasser.
For et objekt med en masse på omkring 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en mellemstor by. Diameteren af en sådan rumtids-fælde ville være omtrent 5 kilometer – altså en afstand, man roligt kan løbe på en halv time. Og vi taler her om at pakke næsten hele Solens masse ned i den skala.
For at skabe noget så ekstremt kræves der forhold, som ingen kendte processer i stjerner kan levere. Astrofysikere understreger, at den klassiske stjerneevolutionsfysik ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav en masse gennem en almindelig stjernekerne-kollaps.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Derfor retter forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, blikket langt tilbage i tid – til et tidspunkt, da Universet var yngre end en milliontedel sekund. I den periode opfører stof sig anderledes end i dag: den såkaldte kvark-gluon-plasma dominerer, og tætheder og temperaturer er ufattelige.
Allerede i 1970'erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under deres egen vægt og dermed skabe en hel population af miniature sorte huller. Disse fik betegnelsen primordiale sorte huller.
Forskerholdet antyder, at det analyserede objekt netop kan være opstået i den æra, der er forbundet med kvantkromodynamikkens fysik, blot få mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie er korrekt, 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 en mængde, 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. Det har i årtier været kendt, at synligt stof – stjerner, gas og støv – kun udgør en lille del af Universets samlede masse. Omkring 85 procent består af en usynlig komponent, der kun giver sig til kende gennem tyngdekraften.
Mange grupper har hidtil søgt efter partikler, der kunne forklare dette manglende stof, såsom WIMP'er registreret i underjordiske detektorer. Disse søgninger har endnu ikke givet et entydigt gennembrud, hvilket har banet vejen for alternative idéer.
Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og inden for det rette masseområde, kan de udgøre en betydelig 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 det mørke 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
På trods af begejstringen dæmper nogle forskere forventningerne. Estimaterne siger, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent – men fortolkningen kræver stadig 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 bevæge sig fra antydning til en fast konklusion har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne med LVK-netværket er afgørende her: detektorerne opnår stadig højere 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 hændelser bekræfter eksistensen af en hel klasse af sub-solmasse-sorte huller, vil fysikerne skulle omskrive kapitlerne i lærebøgerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur.
Hvordan fungerer en gravitationsbølgedetektor?
For bedre at forstå betydningen 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, der er adskilt med flere kilometers afstand. Når en gravitationsbølge passerer detektoren, komprimerer den minimalt den ene akse og forlænger den anden.
Ændringen i armenes længde er mindre end en brøkdel af en protons diameter, men avanceret interferometri-teknik gør det muligt at opfange den. Fra formen af den registrerede gravitationsbølge-"kvidren" kan forskerne aflæse masser, afstand og typen af de sammenstødende objekter.
- Signalets varighed giver oplysninger om masserne af parrens komponenter
- Amplituden afspejler kildens afstand
- Slutfrekvensen giver mulighed for at estimere det dannede objekts masse
- Fraværet af lyssignaler hjælper med at udelukke neutronstjerner
I tilfældet med 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 interesse.
Hvad ville en bekræftelse af primordiale sorte huller ændre?
Hvis yderligere observationer støtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter der os en række 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 de forhold, der herskede i de første mikrosekunder af kosmossets eksistens.
Teorien om galaksedannelse ville også kræve revision. En yderligere population af tætte, kompakte objekter ændrer den måde, stof samler sig på, hvordan haloer af mørkt stof vokser, og hvordan de første stjerner formes. For partikelfysikere er det også et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler måske har mindre at komme efter, hvis sorte huller spiller lionandelen af rollen.
Hvordan kan en ikke-specialist forestille sig det?
For folk uden for det videnskabelige miljø lyder begreber som "kvantkromodynamikkens 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 stof. De fleste af dem spredte sig, efterhånden som Universet udvidede sig – men nogle var så tætte, at de kollapsede under 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 disse sjældne sammenstød, at de genererer gravitationsbølger, som jordbaserede detektorer fanger i dag. Hvert sådant signal fungerer altså som et postkort sendt fra Universets allerførste øjeblikke.
