Et mystisk signal fra dybet af universet
Detektorerne LIGO, Virgo og Kagra har opfanget et usædvanligt signal fra verdensrummet. Analysen tyder på, at et objekt lettere end Solen deltog i kollisionen – alt for lille til at være et almindeligt sort hul.
Et sådant scenarie passer simpelthen ikke ind i standardmodellerne for stjernernes udvikling. Stadig flere stemmer hævder, at der kan være tale om det første spor af et såkaldt primordialt sort hul, som opstod i universets allertidligste øjeblikke.
Signalet, der ikke passer ind nogen steder
Forskere, der arbejder med gravitationsbølgedetektorer, overvåger i dag snesevis af hændelser om året. Det drejer sig som regel om kollisioner mellem sorte huller eller neutronstjerner med typisk masser fra nogle få op til titals solmasser. I februar i år stødte holdet imidlertid på et signal, der bryder med mønstret.
Et af de objekter, der var involveret i kollisionen, havde en masse på blot 0,1 til 0,87 gange Solens masse. Et så let sort hul fra et klassisk stjernekollaps var astronomerne slet ikke forberedt på.
Forskerne undersøgte straks de sædvanlige forklaringer. Det kunne måske dreje sig om en neutronstjerne eller en hvid dværg. Problemet er, at detektorerne ved kollisioner med disse objekter normalt også registrerer elektromagnetisk stråling – gammastråler, røntgenlys eller efterglød i det synlige spektrum. Denne gang observerede teleskoperne absolut ingenting. Kun gravitationsbølger tilbageblivede, præcis som ved en typisk kollision mellem to sorte huller.
Hvorfor en almindelig stjerne ikke kan skabe et så lille sort hul
For at et klassisk sort hul kan opstå, skal en massiv stjerne afslutte sit liv i et dramatisk kollaps. Kernen falder sammen under sin egen tyngde, mens de ydre lag kastes ud i en supernova. Fysikken bag sådanne sammenbrud fastsætter en nedre grænse for et sort huls masse.
Den teoretiske nedre grænse for et stjernedannet sort hul er cirka tre solmasser. Det typiske masseinterval for sådanne objekter strækker sig fra nogle få til snesevis af solmasser. Hændelsen betegnet S251112cm peger på et objekt med en masse under én solmasse. Dataene antyder med en sandsynlighed på over 99 procent, at mindst ét af de involverede objekter var lettere end Solen.
De nuværende modeller for stjernernes udvikling er klare: en almindelig stjerne kan ikke producere et sort hul så lille, som gravitationsbølgeanalysen antyder. Hvis signalet virkelig stammer fra et miniature sort hul, må det være opstået ad en helt anden vej.
Uralte sorte huller ifølge Stephen Hawking
Her træder de såkaldte primordiale sorte huller ind på scenen – objekter, som blandt andre Stephen Hawking teoretiserede over. I modsætning til klassiske sorte huller opstår de ikke fra stjerner. Deres oprindelse går helt tilbage til brøkdele af et sekund efter Big Bang.
I det ultrayounge univers herskede ekstreme forhold: utænkelige temperaturer, tætheder og voldsomme svingninger i stoffordelingen. I visse regioner kunne stof hobe sig så tæt sammen, at det lokale tyngdekraftfelt kollapsede uden nogen stjerne og øjeblikkeligt dannede et sort hul.
Forskerne foreslår, at objektet opstod under den fase, der er forbundet med kvantefarvodynamik, blot mikrosekunder efter universets begyndelse – i en epoke, hvor almindelige stjerner slet ikke fandtes endnu.
Hvis fortolkningen er korrekt, har LVK-netværket måske for første gang registreret et signal fra en kollision med et sådant urgammelt sort hul. Det viser, at gravitationsbølger er ved at blive et redskab ikke kun til at studere eksotiske stjerner, men også til at undersøge universets allertidligste øjeblikke.
Et sort hul på størrelse med en by
Hvad betyder det egentlig at have et sort hul med en masse på 0,87 solmasser? Tallet lyder ikke dramatisk lavt – indtil man ser på objektets størrelse. Et sådant objekt ville være ekstremt kompakt med en diameter på blot cirka fem kilometer.
Forestil dig noget med en masse, der kan sammenlignes med Solens, presset sammen i et område på størrelse med en mellemstor by. Så ekstreme tæthedsforhold synes kun mulige i de tidligste øjeblikke efter Big Bang, da stof gennemgik voldsomme faseskift. Objekter med lignende parametre forudsiges af teoretiske beregninger inden for meget tidlig kosmologi.
Astronomer er også interesserede i, hvordan sådanne miniatursorte huller har opført sig i løbet af milliarder af år. Nogle kan have slugt omgivende stof og vokset, mens andre forblev isolerede og næsten uforandrede. Under alle omstændigheder burde de i dag eksistere spredt ud over hele universet.
Mørkt stof som en sky af miniaturesorte huller
Hvis fortolkningen af signalet S251112cm som et spor af et primordialt sort hul bekræftes, vil konsekvenserne række langt ud over blot at klassificere et eksotisk objekt. Spørgsmålet om mørkt stofs natur træder ind i billedet.
Astronomer har i årevis vidst, at synlig materie – stjerner, gas og støv – kun udgør en lille del af det kosmiske puslespil. En yderligere masse, som ikke kan ses i nogen del af spektret, påvirker adfærden hos galakser, galaksehobe og store kosmiske strukturer. Den er blevet kaldt mørkt stof.
I årtier har man søgt efter hypotetiske nye partikler – fra de berømte WIMP’er til eksotiske lette bosoner. Men forsøg efter forsøg i underjordiske partikeldetektorer endte med tavshed. I denne sammenhæng er miniaturesorte huller begyndt at lyde stadig mere overbevisende som et alternativ.
Analysen antyder, at primordiale sorte huller ved det rette antal og den rette massefordeling kunne forklare en betydelig del – eller måske al – den mørke stof, uden at man behøver at indføre helt nye elementarpartikler.
I dette scenarie ville universet være fyldt med bittesmå sorte huller, diskret fordelt i galaksernes haloer og det intergalaktiske rum. I hverdagen ville de forblive praktisk talt usynlige, men deres samlede tyngdekraftpåvirkning ville forklare den galakseadfærd, astronomer observerer.
Forskerne dæmper begejstringen – foreløbig er der tale om en stærk kandidat
På trods af den mærkbare begejstring i forskningsmiljøet holder forskerne en vis afstand. Analysen, der er offentliggjort og indsendt til et anerkendt tidsskrift, er endnu under fagfællebedømmelse. Forskerne omtaler det direkte som en “kandidat” til et primordialt sort hul.
Det skal stadig verificeres, om signalet ikke kan forklares på anden vis – for eksempel som et resultat af komplekse vekselvirkninger i ekstremt tætte stjernehobe. I sådanne miljøer kan kredsende objekter danne multiple systemer, hvor en serie af kollisioner og indfangninger genererer komplicerede gravitationsbølger.
Foreløbig tyder alt på, at fortolkningen med et primordialt sort hul er den enkleste og bedst passer til dataene. Men fysikerne mangler endnu ét nøgleelement: gentagelse. Hvis detektorerne under den igangværende kampagne registrerer endnu et lignende signal med et objekt under Solens masse, vil hypotesen om primordiale sorte huller få en helt anden vægt – fra teoretisk kuriositet til en ny kategori af reelle kosmiske objekter.
Sådan fungerer detektorerne LIGO, Virgo og Kagra
Gravitationsbølger er mikroskopiske rynker i selve rumtidens struktur. For at registrere dem har forskerne bygget kæmpestore interferometre – apparater, der måler minimale afstandsændringer mellem spejle placeret i tunneler flere kilometer lange.
LIGO i USA, Virgo i Italien og Kagra i Japan udgør i dag et globalt netværk af “ører”, der lytter efter fjerne kosmiske katastrofer. Når en gravitationsbølge passerer Jorden, forkortes den ene arm af interferometret en smule, mens den anden forlænges. Ændringen er mindre end en protons diameter, men det følsomme apparat er i stand til at registrere den.
- LIGO – to detektorer i USA, der som de første registrerede gravitationsbølger i 2015
- Virgo – europæisk interferometer, der øger præcisionen ved lokalisering af signalkilder på himlen
- Kagra – japansk detektor nedkølet til meget lave temperaturer, bygget i en tunnel under et bjerg
- Detektornetværket muliggør triangulering og præcis bestemmelse af signalets oprindelse
- Hver detektor anvender lasere og spejlsystemer i ultrachist vakuum
- Seismisk isolation beskytter instrumenterne mod vibrationer fra Jordens overflade
- Systemer til aktiv dæmpning kompenserer for mikrorystelser fra trafik og natur
- Data behandles af supercomputere, der er i stand til at evaluere millioner af parametre
Takket være samarbejdet mellem disse tre instrumenter kan forskerne ikke blot måle bølgeformen, men også rekonstruere parametrene for de objekter, der frembragte dem: masse, afstand og endda rotation. Det var netop denne metode, der gjorde det muligt at fastslå, at hændelsen S251112cm involverede et objekt med en masse under Solens.
Hvad er en gravitationsbølge egentlig?
I grove træk kan den sammenlignes med en bølge på vand – men den breder sig ikke i vand, men i selve rummets struktur. Når enorme masser som sorte huller kredser om hinanden og kolliderer, “rynker” de rumtiden så intenst, at effekten af denne storm når frem milliarder af lysår borte.
LIGO og de øvrige detektorer registrerer ikke et billede af objektet, men en præcis registrering af, hvordan interferometerets armlængde ændrer sig. Ud fra denne kurve tilpasser en computer den bedste kollisionsmodel og uddrager oplysninger om masserne og typen af de involverede objekter.
Gravitationsbølger passerer igennem stof næsten uden vekselvirkning, i modsætning til elektromagnetisk stråling. Derfor bringer de information om hændelser, der ellers ville forblive usynlige – for eksempel fra det indre af kolliderende sorte huller eller fra universets første øjeblikke efter Big Bang.
Hvad sker der nu – jagten på flere miniaturesorte huller
Hvis fortolkningen om et primordialt sort hul holder stand over for kritikken, kan vi i de kommende år forvente en offensiv af ny forskning. Astronomer vil gennemgå arkiver fra tidligere LVK-kampagner for at finde yderligere oversete signaler med objekter under Solens masse.
Sideløbende vil teoretikere tilpasse modellerne for, hvordan primordiale sorte huller opstod, ud fra de nye begrænsninger: hvor ofte de kan have dannet sig, hvilken typisk masse de har, og om deres population reelt kan forklare det mørke stof. Det indebærer korrektioner af scenarierne for det unge univers, herunder faserne forbundet med meget tidlige stofomvandlinger.
For lægfolk lyder hele emnet abstrakt, men det har overraskende konkrete konsekvenser. Hvis mørkt stof viser sig blot at være en sky af miniaturesorte huller, ville det ændre planlægningen af fremtidige rummissioner, forudsigelserne for signaler i neutrinodetektorer og udformningen af eksperimenter med elementarpartikler. En del planlagte dyre anlæg kunne miste deres formål, mens nye idéer mere fokuseret på gravitationsbølgeastronomien ville tage deres plads.
Hvert nyt registreret signal med så små sorte huller giver mulighed for at teste gravitationsteorien under ekstreme forhold. Det kan igen pege på, hvor man skal lede efter ny fysik hinsides den generelle relativitetsteori og standardmodellen for partikler. Måske er det netop herfra, de teknologier vil udspringe, der om år vil trænge ind i hverdagen – ligesom satellitnavigation og avancerede metoder til medicinsk billeddannelse, der har rødder i forrige århundredes teoretiske fysik.
