Et mystisk kollisionssignal satte forskerverden på den anden ende
Et netværk af gravitationsbølgedetektorer har registreret sammenstødet mellem to kompakte objekter, hvor det ene vejer mindre end vores egen Sol. Et så let sort hul passer ikke ind i nogen kendte modeller for stjernernes udvikling, og det har ført forskerne frem til en fascinerende hypotese om, hvad der skete i universets første mikrosekunder efter Big Bang.
Klassisk astrofysik slår fast, at et sort hul dannes ved sammenbruddet af kernen i en massiv stjerne og bør veje mindst tre solmasser. Da holdet bag LIGO–Virgo–Kagra analyserede hændelsen kaldet S251112cm, opdagede de imidlertid, at det ene objekt vejer mindre end Solen. Denne anomali åbner døren til en helt ny fortolkning – måske ser vi for første gang nogensinde et spor af et ursort hul, skabt da universet var yngre end en milliontedel sekund.
Hvorfor gravitationsbølger skabte uro blandt astronomerne
Det hele begyndte med en tilsyneladende rutinemæssig detektion af et signal i observatorienetværket bestående af LIGO, Virgo og japanske Kagra. Disse anlæg måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle forårsaget af gravitationsbølger, der passerer gennem Jorden. Hvert sådant signal afslører egenskaberne ved de kolliderende objekter – masse, afstand og type.
Ved normale hændelser registrerer fysikere sorte huller med masser i størrelsesordenen ti til hundrede solmasser. Da holdet behandlede data fra S251112cm, viste det sig dog, at den ene deltager i kollisionen har en masse på omkring 0,87 solmasser. Et så let objekt ville ifølge nuværende modeller umuligt kunne opstå ved sammenbruddet af en stjernekerne.
Forskerne undersøgte først de mere klassiske forklaringer. Hvis det drejede sig om neutronsstjerner eller hvide dværge, burde de også have registreret et glimt i gammastråler, røntgenlys eller i det mindste synligt lys. En grundig gennemgang af himlen afslørede dog intet ledsagende signal. Astronomerne stod dermed tilbage med et langt mere eksotisk scenarie.
Hvor lille er et sort hul med en masse mindre end Solen
Objekter med masser på linje med vores Sol kender vi primært som meget tætte neutronsstjerner. Et klassisk sort hul, der dannes ved stjernesammenbrud, er ifølge modellerne betydeligt tungere – det kræver mindst omkring tre solmasser.
For et objekt med 0,87 solmasser giver beregningerne dimensioner, der kan sammenlignes med en mellemstor by. Diameteren af en sådan rumtidsfælde ville være cirka fem kilometer – en afstand du komfortabelt kan løbe på en halv time – og alligevel taler vi om at presse næsten hele Solens masse ind i det rum.
At skabe noget så ekstremt kræver betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan tilbyde. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik ganske enkelt ikke kan producere et sort hul med så lav en masse blot ved en stjernekernes sammenbrud. Derfor vender forskerens opmærksomhed sig i en helt anden retning.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter blikket langt tilbage i tiden – til en periode da universet var yngre end en milliontedel sekund. I denne fase opførte stof sig fundamentalt anderledes end i dag: det såkaldte kvark-gluon-plasma dominerede, og både tæthed og temperatur nåede ufattelige værdier.
Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i dette miljø kunne kollapse under deres egen vægt og skabe en population af miniaturesorte huller. Disse objekter fik betegnelsen primordiale sorte huller.
Holdet foreslår, at det analyserede objekt kan være opstået netop i den æra, der er forbundet med kvantek kromdynamik, blot få mikrosekunder efter Big Bang. Hvis dette scenarie er korrekt, ville signalet S251112cm udgøre det første håndgribelige bevis på, at sådanne strukturer faktisk har overlevet frem til i dag. Det ville betyde, at universet begyndte at producere sorte huller allerede i sine allerførste øjeblikke – i et omfang, der hidtil kun har eksisteret i ligninger.
Forskerne understreger, at disse betingelser aldrig siden har eksisteret. Kun i den primordiale fase af Big Bang kunne den ekstreme tæthed og det ekstreme tryk skabe kompakte objekter med masser under én solmasse. Klassiske processer i stjerner tillader simpelthen ikke en sådan kompressionseffektivitet.
Er mørkt stof et hav af miniaturesorte huller
Puslespillet bliver endnu mere spændende, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordialt sort hul med problemet om mørkt stof. I årtier har vi vidst, at synlig materie – stjerner, gas og støv – kun udgør en lille del af det kosmiske regnskab. 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, for eksempel WIMP’er registreret i underjordiske laboratorier. Søgen har ikke givet noget entydigt resultat, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer.
- Primordiale sorte huller kunne udgøre en væsentlig del af det mørke stof
- Masseintervallet for disse objekter stemmer overens med de observerede gravitationseffekter
- Detektorerne LIGO og Virgo kunne gradvist kortlægge deres population
- Ingen eksotiske partikler ville behøve at blive eftersøgt i partikelacceleratorer
- Fordelingen af sorte huller ville forklare strukturen i galaktiske halos
- Massesignaturen stemmer overens med visse teoretiske modeller
- Det samlede kosmiske regnskab ville endelig give mening uden mystiske partikler
Hvis primordiale sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med de rette masser, kan de udgøre en betydelig del – måske endda hele – af det mørke stof. Den nye analyse antyder, at det detekterede objekt passer fint ind i et sådant scenarie. I denne vision består mørkt stof ikke af eksotiske partikler, vi ikke kan registrere, men af utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden universets tidligste epoker.
Et lovende signal giver endnu ikke et endeligt svar
På trods af begejstringen dæmper nogle forskere forventningerne. Estimaterne angiver, at sandsynligheden for en masse under én solmasse overstiger 99 procent, men fortolkningen kræver forsigtighed. Der eksisterer stadig mere komplekse scenarier forbundet med systemer med flere objekter i tætte stjernehobe, som kan generere usædvanlige signaler.
Holdet betegner derfor foreløbig objektet som en “kandidat” til et primordialt sort hul. For at fysikerne kan rykke fra forslag til solidt resultat, har de brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne fra LVK-netværket er afgørende her – detektorerne opnår stadig højere følsomhed, så chancerne for nye registreringer vokser år for år.
Et andet eller tredje signal med sammenlignelige parametre kunne forvandle en interessant hypotese til et nyt kapitel i kosmologien. Hvis flere uafhængige hændelser bekræfter eksistensen af en hel klasse af sorte huller med masser under én solmasse, vil fysikerne være nødt til at omskrive kapitlerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur.
Sådan fungerer en gravitationsbølgedetektor
For bedre at forstå vægten af det aktuelle signal er det nyttigt at vide, hvad LIGO og Virgo faktisk måler. Der er tale om anlæg, hvor en laserstråle løber i to vinkelrette arme og reflekteres fra spejle, der er adskilt af flere kilometers afstand. Når en gravitationsbølge passerer gennem detektoren, komprimerer den den ene akse en smule 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. Ud fra formen på den optegnede gravitationsbølge aflæser forskerne masser, afstand og typen af de kolliderende objekter.
- Signalets varighed giver information om masserne af parrets bestanddele
- Amplituden omregnes til kildens afstand
- Slutfrekvensen hjælper med at estimere massen af det dannede objekt
- Fraværet af et lyssignal letter udelukkelsen af neutronsstjerner
- Målenøjagtigheden opnår en opløsning mindre end en atomkerne
- Et netværk af tre detektorer muliggør triangulering af positionen på himlen
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. Netop denne detalje vakte så stor interesse i forskersamfundet.
Hvad en bekræftelse af primordiale sorte huller ville betyde
Hvis yderligere observationer understøtter Cappellutiis og Magaraggias fortolkning, venter en serie af konsekvenser. Kosmologien vil få et værktøj til at undersøge ultraearly epoker, langt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske baggrundsstråling stammer. Primordiale sorte huller ville fungere som sonder, der bevarer betingelserne fra universets første mikrosekunder.
Teorien om galaksedannelse ville ligeledes kræve korrektioner. En yderligere population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, stof samles på, hvordan halos af mørkt stof vokser, og hvordan de første stjerner opstår. For partikelfysikere er det også et vigtigt signal om, at jagten på eksotiske partikler måske har et snævrere spillerum, hvis sorte huller spiller en langt større rolle.
Forskere fra adskillige universiteter forbereder allerede nye observationsstrategier. Gravitationsbølgedetektorerne vil i de kommende år gennemgå opgraderinger, der forbedrer deres følsomhed med op til en størrelsesorden. Det burde gøre det muligt at opfange snesevis af lignende signaler og endelig bekræfte eller afkræfte hypotesen om primordiale sorte huller. Det ville ikke være første gang, gravitationsbølger omskrev vores forståelse af universet – måske står vi netop nu på tærsklen til den næste store revolution inden for astrofysikken.
