Et usædvanligt signal afslører et objekt, som ikke burde eksistere
Et mærkeligt gravitationsbølgesignal har afsløret et objekt så let, at det ikke passer ind i nogen kendte modeller for stjernedannelse. Eksperter overvejer nu, om det kan være et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang.
Forskere i LIGO–Virgo–Kagra-samarbejdet analyserede optagelsen af en kollision mellem to kompakte objekter, betegnet S251112cm. Da de beregnede masserne for de involverede parter i denne kosmiske sammenstød, viste det sig, at det ene objekt vejer mindre end Solen. Inden for klassisk astrofysik kan et sådant sort hul i princippet ikke eksistere. Netop derfor mener en del af forskerne i dag, at vi muligvis ser det første spor af et såkaldt primordielt sort hul, dannet kort efter Big Bang.
Gravitationsbølger udgør et afgørende redskab for astronomer i udforskningen af universet. Mens de fleste hidtidige opdagelser drejede sig om sorte huller med masser på flere titals solmasser, er dette tilfælde enestående på grund af sin bemærkelsesværdige lethed. En sådan opdagelse kan fundamentalt ændre vores forståelse af det tidlige univers og måske løse gåden om mørkt stof.
Hvordan gravitationsbølger afslørede en kosmisk gåde
Det hele begyndte med, hvad der tilsyneladende var en rutinemæssig registrering af gravitationsbølger via detektornetværket bestående af LIGO, Virgo og japanske Kagra. Disse gigantiske interferometre måler mikroskopiske afstandsændringer mellem spejle, forårsaget af gravitationsbølger, der passerer igennem Jorden. De fleste sådanne signaler stammer fra kollisioner mellem sorte huller med masser på adskillige titals solmasser.
Denne gang afslørede analysen af hændelsen S251112cm imidlertid noget usædvanligt. Et af de to sammensmeltendes objekter har en masse et sted mellem en tiendedel og lidt under én solmasse. Et så let sort hul passer ikke ind i rammerne for kendte processer i stjernernes evolution.
Forskerne undersøgte straks mere konventionelle forklaringer. Hvis signalet stammede fra en kollision mellem neutronstjerner eller hvide dværge, burde det have sat sig spor i lyset – i form af gammastråling, røntgenstråling eller i det mindste i det optiske spektrum. Søgningen efter et ledsagende lysglimt gav intet resultat. Dermed stod et langt mere eksotisk scenarie tilbage som den mest sandsynlige forklaring.
Et sort hul mindre end en mellemstor by
Objekter med en masse tæt på Solens, som vi kender fra astronomiske kataloger, er typisk meget tætte neutronstjerner. Et klassisk sort hul, der opstår ved kollaps af en massiv stjerne, er langt tungere – ifølge nuværende modeller skal det have mindst omkring tre solmasser. For astrofysikere er et objekt med en masse på 0,87 solmasse derfor en absolut undtagelse.
For et objekt på omtrent 0,87 solmasse giver beregningerne dimensioner, der er sammenlignelige med en større dansk by. Diameteren af en sådan rum-tidsfælde ville være cirka fem kilometer – en afstand man sagtens kan løbe på en halv time. Alligevel taler vi om at have indpakket næsten hele Solens masse inden for den skala.
At skabe noget så ekstremt kræver betingelser, som ingen kendte processer i stjerner kan tilvejebringe. Astrofysikere understreger, at klassisk stjernefysik ikke tillader dannelsen af et sort hul med så lav masse ved et almindeligt kernekollaps. Det er netop derfor, at forskerne vender blikket mod universets allerældste epoker.
Et spor fra de første mikrosekunder efter Big Bang
Forfatterne bag den nye analyse, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter derfor blikket langt tilbage i tid – til en periode, hvor universet var yngre end en milliontedel af et sekund. I denne fase opfører stof sig fundamentalt anderledes end i dag. Her dominerer det såkaldte kvark-gluon-plasma, og både tætheder og temperaturer er svimlende høje.
Allerede i 1970’erne forudsagde teoretiske fysikere, herunder Stephen Hawking, at lokale tæthedsudsving i et sådant miljø kunne kollapse under deres egen tyngdekraft og danne en hel population af miniaturesorte huller. Disse fik betegnelsen primordielle sorte huller. Teamet antyder, at det analyserede objekt kan være opstået præcis i den æra, der er forbundet med kvantekromodynamikkens fysik, få mikrosekunder efter Big Bang.
Hvis dette scenarie holder stik, ville signalet S251112cm være det første håndgribelige bevis på, at sådanne strukturer faktisk har overlevet frem til i dag. Det ville betyde, at universet allerede i sine allerførste øjeblikke begyndte at producere sorte huller i et omfang, man hidtil kun har diskuteret i ligninger. For kosmologer ville det udgøre en revolutionerende opdagelse.
- Signalets varighed giver oplysninger om masserne af de to objekter i parret
- Amplituden oversættes til kildens afstand fra Jorden
- Slutfrekvensen giver mulighed for at estimere massen af det dannede objekt
- Fraværet af et lyssignal hjælper med at udelukke neutronstjerner
- Formen af det registrerede signal afslører, hvilken type objekter der stødte sammen
- Interferometri-teknikken registrerer ændringer, der er mindre end en brøkdel af en protons diameter
- LIGO-detektorernes arme er flere kilometer lange
- Virgo i Italien og Kagra i Japan udgør tilsammen et globalt netværk
Kan mørkt stof være et hav af miniaturesorte huller?
Puslespillet bliver endnu mere fascinerende, når forskerne forbinder denne kandidat til et primordielt sort hul med problemet om det såkaldte mørke stof. Det har i årtier været kendt, at synlig materie – stjerner, gas og støv – kun udgør en lille del af universets samlede massemæssige regnskab. Hele 85 procent udgøres af en usynlig komponent, der kun manifesterer sig gennem tyngdekraften.
Mange forskergrupper har hidtil ledt efter partikler, der kan forklare denne manglende komponent, for eksempel WIMP’er registreret i underjordiske detektorer. Søgningen har endnu ikke givet et entydigt resultat, hvilket har åbnet vejen for alternative idéer. Hvis primordielle sorte huller eksisterer i tilstrækkeligt antal og med den rette massefordeling, kan de udgøre en væsentlig del – måske endda hele – det mørke stof.
Den nye analyse antyder, at det detekterede objekt passer ind i et sådant scenarie. Massesignaturen stemmer overens med forudsigelserne fra visse modeller for en population af primordielle sorte huller. I denne vision er mørkt stof ikke eksotiske partikler, vi ikke kan spore, men utallige sorte huller spredt ud over hele kosmos siden de allerførste epoker. For partikelfysikken ville det efterlade mindre plads til at lede efter nye elementarpartikler.
Signalet er lovende, men endnu ikke afgørende
På trods af begejstringen dæmper en del forskere forventningerne. Estimaterne viser, at sandsynligheden for en masse på under én solmasse overstiger 99 procent, men fortolkningen kræver forsigtighed. Der eksisterer stadig mere komplicerede scenarier knyttet til systemer med mange objekter i tætte stjernehobe, som kan generere atypiske signaler.
Teamet betegner derfor foreløbig objektet som en kandidat til et primordielt sort hul. For at bevæge sig fra et forslag til en solid konklusion har fysikerne brug for flere lignende hændelser. Den igangværende observationskampagne i LVK-netværket spiller her en afgørende rolle – detektorerne opnår stadig højere følsomhed, og chancerne for yderligere registreringer vokser år for 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 subsolære sorte huller, vil fysikere være nødt til at revidere kapitlerne om Big Bang, tidlig kosmologi og mørkt stofs natur i lærebøgerne. Det ville være en banebrydende opdagelse, der kan måle sig med selve opdagelsen af gravitationsbølger.
Hvad ville en bekræftelse af primordielle sorte huller ændre?
Hvis yderligere observationer understøtter Cappellutis og Magaraggias fortolkning, venter en række konsekvenser. Kosmologien vil få et redskab til at studere de allerdigeste epoker – langt tidligere end den periode, hvorfra den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling stammer. Primordielle sorte huller ville fungere som sonder, der bærer information om betingelserne i de første mikrosekunder af kosmos’ eksistens.
Teorien om galaksedannelse ville ligeledes kræve korrektioner. En ekstra population af tætte kompakte objekter ændrer den måde, masse samler sig på, hvordan halos af mørkt stof vokser, og hvordan de første stjerner dannes. For at give et nærliggende billede: forestil dig en gryde med kogende suppe, hvor bobler konstant stiger op og synker ned.
I det meget tidlige univers var disse bobler fortætninger af stof. De fleste opløste sig i takt med, at universet udvidede sig, men nogle var måske så tætte, at de kollapsede under sig selv og dannede sorte huller. I de efterfølgende milliarder af år ville sådanne objekter kredse næsten usynligt mellem og inden i galakser og støde sjældent ind i hinanden. Det er præcis ved sådanne sjældne kollisioner, at de skaber gravitationsbølger, som pozemske detektorer i dag kan opfange. Hvert sådant signal fungerer dermed som et postkort fra universets første øjeblikke og bringer information om betingelser, der ikke kan observeres på nogen anden måde.
