Et signal fra universets allerførste øjeblikke
Amerikanske astrofysikere har opfanget gravitationsbølger, der sandsynligvis stammer fra et sort hul dannet i de tidligste sekunder efter Big Bang. Det bemærkelsesværdige ved objektet er, at det vejer mindre end vores Sol – hvilket strider imod alt, videnskaben hidtil har vidst om sorte huller.
Hvis fortolkningen viser sig korrekt, har vi for første gang nogensinde et konkret spor efter et såkaldt primordialt sort hul – en reel levning fra universets første sekund. Den slags opdagelse kan omskrive lærebøgerne i kosmologi fuldstændigt.
Forskere fra University of Miami, Alberto Magaraggia og Nico Cappelluti, analyserede data fra gravitationsbølgedetektoren LIGO. Deres konklusion peger på, at disse eksotiske objekter rent faktisk eksisterer – og at vi har et konkret signal at forholde os til, betegnet S251112cm.
Et sort hul, der aldrig havde brug for en stjerne
Den klassiske dannelse af et sort hul kender de fleste fra grundlæggende astrofysik. En massiv stjerne kollapser til sidst under sin egen tyngdekraft, eksploderer som en supernova, og dens kerne omdannes til et sort hul. Derfor har sådanne objekter normalt en masse på flere til titusinder af solmasser.
Det nye signal bryder med dette mønster. Det objekt, der kolliderede med et andet legeme og frembragte de opfangede gravitationsbølger, har en masse markant under én solmasse. Teoretisk set burde det ikke eksistere – medmindre det er opstået på en helt anden måde end via en stjernes kollaps.
Den mest plausible forklaring er et primordialt sort hul, skabt under de ekstreme forhold lige efter Big Bang – endnu inden de første stjerner overhovedet havde formet sig. Sådanne objekter betragtes som kosmiske fossiler fra universets allertidligste fase.
Ifølge teorien kan de være opstået fra ekstremt tætte klumper af subatomart stof, der dannede sig i det hurtigt ekspanderende og glødende univers. De krævede hverken stjerner eller supernovaer – blot ren, ekstrem tæthed.
Hvorfor massen gør en afgørende forskel
Sorte huller, som astronomer normalt observerer, falder inden for to velkendte massekategorier. Den første gruppe udgøres af stjernernes efterladenskaber med masser fra et par til titusinder af solmasser. Den anden gruppe er de supermassive sorte huller i centret af galakser, der indeholder millioner til milliarder af solmasser.
Objektet antydet af det nye signal ligger langt under den nedre grænse for begge kategorier. Det gør det klassiske stjernescenarie praktisk talt umuligt og åbner i stedet for konceptet om primordiale sorte huller.
Astrofysikerne sammenlignede den forventede forekomst af sådanne objekter med reelle data fra LIGO-detektoren, som har indsamlet data siden 2015. Sjældenheden af dette signal stemmer godt overens med de teoretiske modeller for primordiale sorte huller – det optræder præcis så sjældent, som det burde, hvis disse objekter faktisk eksisterer.
Forskerne fremhæver seks centrale karakteristika ved signalet S251112cm:
- Objektets masse ligger under én solmasse
- Forekomstfrekvensen svarer til teoretiske forudsigelser
- Gravitationsbølgens form afviger fra standardkolisioner
- Fraværet af elektromagnetisk stråling, der er typisk for stjernedannede sorte huller
- Konsistens med modeller for universets tidlige inflationsfase
- Lavt signal-støj-forhold, der kræver sofistikeret dataanalyse
Sådan “hører” LIGO universet via gravitationsbølger
Bag hele opdagelsen står LIGO – det amerikanske observatorium for gravitationsbølger, som måler mikroskopiske rystelser i rumtiden, der opstår ved kollisioner mellem ekstremt massive objekter. I 2015 registrerede LIGO for første gang et signal fra kolliderende sorte huller, hvilket udløste en revolution i astronomien og resulterede i en Nobelpris.
Nu opfanger det samme instrument noget langt mere subtilt. Signalet S251112cm udmærker sig ved en objektmasse, der ikke lader sig indpasse i kendte kategorier. De to Miami-forskere analyserede dataene og konkluderer, at et primordialt sort hul er den mest konsistente forklaring.
LIGO har dermed bevist, at det ikke blot kan registrere spektakulære kollisioner mellem massive sorte huller, men også spore langt lettere og mere eksotiske objekter skjult i datastøjen. Laboratorierne i Hanford og Livingston anvender laserinterferometere med arme på fire kilometers længde.
Én enkelt kollision afgør dog ikke sagen. Et sådant signal kan have alternative forklaringer, og astrofysikere er kendte for deres forsigtighed. Forskerne indrømmer åbent, at de har brug for adskillige – helst mere end ti – lignende hændelser for at opnå en solid bekræftelse. Ikke desto mindre åbner selve det forhold, at instrumenterne nu besidder en sådan følsomhed, et helt nyt forskningsområde.
Kan primordiale sorte huller være universets skjulte masse?
Her stopper historien ikke. Hvis signalet virkelig stammer fra et primordialt sort hul, berører vi et problem, fysikere har kæmpet med i årtier – nemlig den såkaldte mørke materie.
Observationer af stjerner og galaksers bevægelser viser, at der mangler en enorm mængde masse i universet. Alt, hvad vi kan se – stjerner, planeter, gas og støv – udgør kun omkring femten procent af det, der er nødvendigt for at forklare universets gravitationsmæssige adfærd. Resten består af usynlig materie, der hverken lyser eller reflekterer lys, men som alligevel tiltrækker andre ting gravitationelt.
En af hypoteserne hævder, at en betydelig del af denne manglende masse kan bestå netop af primordiale sorte huller, spredt ud i rummet som mikroskopiske, usynlige klumper. Hvis LIGO rent faktisk er begyndt at registrere sådanne objekter, er der tale om langt mere end en kuriositet.
Forskere får dermed et redskab til at tælle dem og anslå, hvad de tilsammen vejer. Hver ny hændelse vil hjælpe med at besvare spørgsmålet om, hvorvidt primordiale sorte huller lader sig forene med observationer af galakser, galaksehobe og det kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Astrofysikere fra Stanford University og MIT samarbejder om at opbygge kataloger over disse objekter. Forskere fra Caltech forbedrer algoritmer til filtrering af signaler. Teoretikere fra University of Cambridge videreudvikler modeller for deres dannelse.
Hvad LISA og næste generations detektorer kan bringe
LIGO er ikke det eneste instrument på horisonten. Den Europæiske Rumorganisation udvikler projektet LISA – et rumbaseret gravitationsbølgeobservatorium. Tre satellitter skal danne et gigantisk trekantformet interferometer i kredsløb om Solen, med planlagt opsendelse i midten af 2030’erne.
LISA vil være følsom over for et andet frekvensområde end LIGO, hvilket betyder, at den vil opfange helt nye typer kilder. For primordiale sorte huller kan det blive et gennembrud – nogle af dem, særligt dem i par, kan generere bølger, der passer ideelt til det rumbaserede interferometers følsomhed.
LISA-projektet er et samarbejde mellem ESA og NASA. Interferometerets arme vil have en længde på to en halv million kilometer. Den forberedende testmission LISA Pathfinder har allerede gennemført sin verifikationsmission med succes.
Hvordan man forestiller sig et så lille sort hul
Et sort hul, der er lettere end Solen, lyder abstrakt – så det er værd at sætte det i perspektiv. Hvis der eksisterede et primordialt sort hul med massen af en stor asteroid, ville dets diameter ligge tæt på en fodbolds størrelse, måske endnu mindre. Alligevel ville dets tyngdekraft overstige tyngdekraften fra et helt bjerg, og ved begivenhedshorisonten ville end ikke lysets hastighed være nok til at undslippe.
Sådanne objekter er praktisk talt umulige at opdage med klassiske teleskoper. De lyser ikke, reflekterer ikke lys, og afslører sig sommetider kun ved at krumme banen for lysstråler, der passerer bag dem – eller, som i dette tilfælde, ved at udsende gravitationsbølger, når de kolliderer med anden masse.
Begivenhedshorisonten for et sådant sort hul ville have en diameter på blot få centimeter til et par meter. Tætheden ville nå værdier, der kan sammenlignes med en atomkernes. Et objekt med halvdelen af Solens masse ville kunne rummes inden for en kugle på størrelse med en storby.
Hvad én atypisk opdagelse kan betyde for fremtidens forskning
Selv om signalet S251112cm endnu kræver bekræftelse, påvirker det allerede den måde, forskere planlægger fremtidige undersøgelser på. Arkivdata gennemgås nu med fokus på lignende, tidligere oversete hændelser. Teoretiske teams udarbejder modeller, der forudsiger, præcis hvordan kollisioner mellem primordiale sorte huller af varierende masse bør se ud.
For os som almindelige iagttagere illustrerer hele denne historie, hvor hurtigt astronomien udvikler sig. For bare ti år siden var gravitationsbølger udelukkende et begreb fra Einsteins ligninger. I dag er de blevet et redskab til at undersøge universets mest utilgængelige epoker – dem, som intet optisk eller radioteleskop nogensinde vil kunne vise os.
Hvis de kommende år bringer flere lignende signaler, kan begreber som primordialt sort hul og mørk materie holde op med at lyde som ren teori. De vil med tiden blive en del af konkrete objektkataloger med beskrevne masser, kollisionsfrekvenser og indflydelse på galaksernes evolution. Og da vil spørgsmålene om alt det, der omgiver os, begynde at have langt mere målbare og numeriske svar.
