Amerikanske astrofysikere har fanget noget ekstraordinært
Astrofysikere fra USA har opfanget en gravitationsbølge fra et objekt, der ifølge foreløbige analyser opstod i løbet af det første sekund efter Big Bang. Det ser ud til at veje mindre end Solen — og det strider imod alt, hvad vi kender til almindelige sorte huller.
Hvis denne fortolkning holder, taler vi om en egentlig revolution inden for kosmologien. Det ville nemlig være det første spor af et primordialt sort hul — en levning fra en tid, hvor end ikke de første stjerner eksisterede. Og det kunne måske forklare en del af, hvad mørkt stof egentlig er lavet af.
Forskerne Alberto Magaraggia og Nico Cappelluti fra University of Miami analyserede data fra gravitationsbølgedetektoren LIGO og viste, at signalet med betegnelsen S251112cm bedst lader sig forklare som et primordialt sort hul. Dette objekt kolliderede med et andet himmellegeme og genererede de gravitationsbølger, vi har registreret. For at tale om et egentligt gennembrud kræves der mindst nogle få lignende signaler — men selve det faktum, at vi overhovedet kan detektere så eksotiske objekter, er i sig selv en ny æra for astronomien.
Hvordan opstår et sort hul, der aldrig behøvede en stjerne
Det klassiske forløb for dannelse af et sort hul kender du sikkert fra fysikundervisningen. En massiv stjerne kollapser under sin egen tyngde ved slutningen af sit liv, eksploderer som en supernova, og dens kerne omdannes til et sort hul. Et sådant objekt har typisk en masse på fra nogle få til et par titals solmasser.
Det nye signal fortæller en anden historie. Det objekt, der kolliderede med et andet legeme og skabte de detekterede gravitationsbølger, har en masse, der ligger markant under Solens. Teoretisk set burde det slet ikke eksistere — medmindre det ikke opstod fra en stjerne, men ad en helt anden vej.
En sandsynlig forklaring er netop et primordialt sort hul, der tog form under de ekstreme betingelser umiddelbart efter Big Bang, inden de første stjerner overhovedet var dannet. Sådanne objekter er kosmiske fossiler fra universets allerførste sekund.
Ifølge teoretiske modeller kan de være opstået fra meget tætte koncentrationer af subatomart stof i et boblende varmt og ekstremt hurtigt udvidende univers. Ingen stjerne, ingen supernovaeksplosion — kun ren, ekstrem tæthed var nødvendig.
Hvorfor massen gør en afgørende forskel i dette tilfælde
De sorte huller, astronomer normalt observerer, falder i to veldefinerede massekategorier. Den første gruppe udgøres af objekter med fra nogle få til et par titals solmasser — rester efter massive stjerner. Den anden gruppe er de supermasive sorte huller i galaksernes centre, med millioner til milliarder af solmasser.
Det objekt, det nye signal peger på, ligger tydeligt under den kendte nedre grænse. Det udelukker i praksis det klassiske stjernescenarie og åbner døren til konceptet om primordiale sorte huller.
Astrofysikerne sammenlignede den forventede forekomst af sådanne objekter med de faktiske LIGO-data, der er indsamlet siden 2015. Signalets sjældenhed stemmer godt overens med de teoretiske modeller for primordiale sorte huller — det dukker op præcis så sjældent, som det bør, hvis disse objekter virkelig eksisterer.
Forskerne undersøgte også, om en anden type kompakt objekt — f.eks. en neutronstjerne — kunne have en tilsvarende lav masse. Men signalets karakteristika peger klart på en kollisionshændelse, der snarere svarer til et sort hul end til en neutronstjerne.
Sådan lytter LIGO til universet via gravitationsbølger
Bag hele opdagelsen ligger LIGO — det amerikanske gravitationsbølgeobservatorium, der måler mikroskopiske rystelser i rummet, som opstår ved kollisioner mellem ekstremt massive objekter. I 2015 registrerede LIGO for første gang et signal fra en kollision mellem sorte huller, hvilket udløste en Nobelpris og en revolution i astronomien.
Nu fanger det samme instrument noget langt mere subtilt. Signalet S251112cm udmærker sig ved en objektmasse, der ikke lader sig placere i de kendte kategorier. Magaraggia og Cappelluti analyserede dataene og peger på et primordialt sort hul som den mest overbevisende forklaring.
LIGO har demonstreret, at det ikke blot kan registrere spektakulære kollisioner mellem massive sorte huller — det kan også spore langt lettere og mere eksotiske objekter gemt i datamøjet. Detektorerne anvender laserinterferometri med arme på fire kilometers længde, placeret i Hanford i staten Washington og i Livingston i Louisiana.
En enkelt kollision afgør naturligvis ingenting. Sådanne signaler kan have alternative forklaringer, og astrofysikere er med rette forsigtige. Forskerne erkender åbent, at de har brug for adskillige — helst en snes — lignende hændelser for at nå et solidt bevis. Men det faktum, at instrumenterne overhovedet besidder en sådan følsomhed, er i sig selv et gennembrud.
Er primordiale sorte huller universets skjulte stof
Her stopper historien ikke. Hvis signalet virkelig stammer fra et primordialt sort hul, rører vi ved et problem, fysikere har kæmpet med i årtier — det såkaldte mørke stof.
Observationer af stjerner og galaksers bevægelser viser, at der mangler en enorm mængde masse i universet. Alt, vi kan se — stjerner, planeter, gas og støv — udgør kun omkring femten procent af den masse, der er nødvendig for at forklare universets gravitationsadfærd. Resten er usynligt stof, der hverken lyser eller reflekterer lys, men trækker gravitationsmæssigt.
En af hypoteserne lyder, at en betydelig del af denne manglende masse kan bestå af netop primordiale sorte huller, spredt rundt i rummet som mikroskopiske, usynlige tyngdepunkter. Hvis LIGO virkelig er begyndt at registrere sådanne objekter, drejer det sig om langt mere end en kuriositet.
Forskere vil få et redskab til at tælle disse huller og estimere deres samlede masse. Hver ny hændelse vil bidrage til at besvare spørgsmålet om, hvorvidt primordiale sorte huller kan stemme overens med observationer af galakser, stjernehobe eller den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Visse teoretikere advarer dog: hvis primordiale sorte huller udgjorde al mørkt stof, burde vi se langt mere gravitationslinseeffekt — lysets afbøjning omkring sådanne objekter. Det er endnu ikke bekræftet, så realistisk set kan de kun udgøre en brøkdel af det mørke stof.
Hvad LISA og næste generation af detektorer kan bringe
LIGO er langt fra det eneste instrument på vej. Den Europæiske Rumorganisation udvikler projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — en rumbaseret gravitationsbølgedetektor. Tre satellitter skal danne et kæmpemæssigt trekantformet interferometer i kredsløb om Solen. Opsendelse planlægges til midten af 2030’erne.
LISA vil være følsom over for et andet frekvensområde end LIGO, hvilket betyder, at den vil opfange helt nye typer af kilder. For primordiale sorte huller kan dette være et decideret gennembrud — særligt dem i dobbeltsystemer kan udsende bølger, der passer perfekt til det rumbaserede interferometers følsomhed.
- LIGO detekterer frekvenser fra titals til tusindvis af hertz — velegnet til kollisioner mellem stellare sorte huller
- LISA vil opfange millihertz-området, svarende til mere massive og fjernere objekter
- Einstein Telescope i Europa forventes at stå klar inden for de næste femten år med ti gange højere følsomhed
- Cosmic Explorer i USA foreslår arme på fyrre kilometers længde mod de nuværende fire
- Den japanske detektor KAGRA er allerede i drift og tilføjer et tredje kontinent til observatorienetværket
- Pulsartiming-arrays overvåger millisekund-pulsarer og søger efter gravitationsbølger med perioder på år
Sådan forestiller man sig et sort hul lettere end Solen
Et sort hul lettere end Solen lyder ret abstrakt, så lad os forsøge at gøre det mere konkret. Forestil dig et primordialt sort hul med en masse svarende til en større asteroide — det ville have en størrelse på linje med en fodbold, måske endnu mindre. Og alligevel ville dets tyngdekraft overgå et helt bjergs, og tæt på hændelseshorisonten ville ikke engang lys kunne undslippe.
Sådanne objekter er praktisk talt usynlige for traditionelle teleskoper. De lyser ikke, reflekterer ikke lys, og afslører sig kun lejlighedsvis — enten ved at bøje lysstråler fra bagvedliggende kilder eller, som i dette tilfælde, ved at udsende gravitationsbølger ved kollision med andet stof.
Forskere anslår, at der i vores galakse kan eksistere millioner til milliarder af sådanne miniature sorte huller — hvis de overhovedet eksisterer. At identificere dem enkeltvis er næsten umuligt, men deres kollektive indvirkning på stjernernes bevægelser og den kosmiske stråling kan potentielt måles.
Hvad én usædvanlig opdagelse ændrer for fremtidig forskning
Selv om signalet S251112cm endnu afventer bekræftelse, påvirker det allerede den måde, forskere tilrettelægger deres næste studier på. Arkivdata gennemgås nu systematisk for at finde lignende, tidligere overset hændelser. Teoretiske teams finjusterer modeller, der forudsiger, hvordan kollisioner mellem primordiale sorte huller af forskellige masser præcist bør se ud.
For os som almindelige iagttagere viser hele historien, hvor hurtigt astronomien forandrer sig. For blot ti år siden var gravitationsbølger et rent teoretisk begreb fra Einsteins ligninger. I dag er de et aktivt redskab til at undersøge universets mest utilgængelige perioder — dem, ingen optisk eller radioteleskop nogensinde vil kunne vise os.
Hvis de kommende år bringer flere lignende signaler, kan begreber som primordialt sort hul og mørkt stof ophøre med at lyde som ren teori. De kan med tiden blive en del af konkrete kataloger over objekter med beskrevne masser, kollisionsfrekvenser og indflydelse på galaksernes udvikling. Og så vil spørgsmålene om tilværelsens begyndelse begynde at have langt mere præcise, målbare svar. Måske vil vi snart finde ud af, om der virkelig eksisterer fossiler fra universets allerførste sekund — og hvad de kan fortælle os om virkelighedens dybeste struktur.
