Ett oväntat signal från djupet av rymden
Gravitationsvågdetektorerna LIGO, Virgo och Kagra registrerade nyligen en märklig kosmisk signal. Analysen tyder på att en av de kolliderade objekten var lättare än solen – alldeles för litet för att vara ett vanligt svart hål.
Ett sådant scenario ryms helt enkelt inte inom standardmodellerna för stjärnutveckling. Allt fler röster höjs nu för att detta kan vara det första spåret av ett så kallat primordialt svart hål, bildat i universums allra tidigaste ögonblick.
Forskarteam som arbetar med gravitationsvågsdetektorer följer idag dussintals händelser per år. Oftast rör det sig om kollisioner mellan svarta hål eller neutronstjärnor med massor på några till tiotals solmassor. Men i februari i år stötte teamet på något som stack ut. Ett av de kolliderande objekten hade en massa på bara 0,1 till 0,87 solmassor. Astronomer väntade sig helt enkelt inte ett så litet svart hål från ett klassiskt stjärnkollaps.
Varför en vanlig stjärna inte kan skapa ett så litet svart hål
För att ett klassiskt svart hål ska bildas måste en massiv stjärna avsluta sitt liv i ett dramatiskt kollaps. Kärnan faller samman under sin egen tyngd och de yttre lagren kastas ut i en supernova. Fysiken bakom sådana kollaps fastställer en nedre gräns för hur litet ett svart hål kan bli.
Den teoretiska undre gränsen för ett stellärt svart håls massa ligger på ungefär tre solmassor. Det typiska massintervallet för stjärnsvarta hål sträcker sig från några till tiotals solmassor. Händelsen märkt S251112cm pekar på ett objekt med en massa under en solmassa. Data indikerar med över 99 procents sannolikhet att åtminstone ett av objekten var lättare än solen.
Nuvarande modeller för stjärnutveckling är tydliga: ingen vanlig stjärna kan skapa ett svart hål så litet som gravitationsvågsanalysen antyder. Om signalen verkligen härstammar från ett miniatyrt svart hål måste det ha uppstått genom en helt annan process.
Uråldriga svarta hål enligt Stephen Hawking
Det är här de så kallade primordiala svarta hålen kliver in på scenen – ett begrepp som bland andra Stephen Hawking teoretiserade kring. Till skillnad från vanliga svarta hål uppstår de inte från stjärnor. Deras ursprung sträcker sig tillbaka till bråkdelar av en sekund efter Big Bang.
I det extremt unga universum rådde ofattbara temperaturer, tätheter och kraftiga fluktuationer i materiens fördelning. På vissa ställen kunde materian samlas så tätt att ett lokalt gravitationsfält kollapsade utan en stjärna – och direkt bildade ett svart hål. Forskare föreslår att objektet uppstod under en fas kopplad till kvantumkromodynamik, bara mikrosekunder efter universums begynnelse – en epok då vanliga stjärnor ännu inte existerade.
Om tolkningen är korrekt har LVK-nätverket kanske för första gången registrerat en signal från kollisionen med just ett sådant uråldrigt svart hål. Det visar att gravitationsvågor håller på att bli ett verktyg inte bara för att studera exotiska stjärnor, utan även universums allra tidigaste ögonblick.
Ett svart hål i storlek med en stad
Vad innebär egentligen ett svart hål med massan 0,87 solmassor? Siffran verkar inte dramatiskt låg förrän man tittar på objektets storlek. Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt – med en diameter på ungefär fem kilometer.
Vi talar om något med en massa jämförbar med solens, tryckt in i ett område ungefär lika stort som en medelstor stad. Sådana extrema täthetsförhållanden verkar endast möjliga i tiderna strax efter Big Bang, när materian genomgick kraftiga fasövergångar. Objekt med liknande parametrar förutsägs av teoretiska beräkningar inom tidig kosmologi.
Astronomer intresserar sig också för hur sådana minisvarta hål betett sig under miljarder år. Vissa kan ha absorberat omgivande materia och vuxit, medan andra förblivit isolerade och praktiskt taget oförändrade. I vilket fall borde de idag existera utspridda genom hela universum.
Mörk materia som ett moln av minisvarta hål
Om tolkningen av signalen S251112cm som ett spår av ett primordialt svart hål bekräftas, sträcker sig konsekvenserna långt bortom klassificeringen av ett exotiskt objekt. Frågan om den mörka materians natur träder in i bilden.
Astronomer har i åratal vetat att synlig materia – stjärnor, gas och stoft – utgör bara en liten del av den kosmiska pusslet. Galaxernas beteende, galaxhopar och stora kosmiska strukturer påverkas av ytterligare materia som inte kan ses i någon del av strålningsspektret. Den har fått namnet mörk materia.
I decennier har man sökt efter hypotetiska nya partiklar – från de välkända WIMP:arna till exotiska lätta bosoner. Men försök efter försök i underjordiska partikeldetektorer har slutat i tystnad. I det sammanhanget har minisvarta hål börjat låta alltmer övertygande som ett alternativ. Analysen antyder att med rätt antal och massfördelning skulle primordiala svarta hål kunna förklara en betydande del – eller hela – den mörka materian, utan att man behöver införa helt nya elementarpartiklar.
I ett sådant scenario skulle universum vara fyllt med små svarta hål, diskret fördelade i galaxers halo och i intergalaktiskt utrymme. I vardagslivet skulle de förbli praktiskt taget osynliga, men deras samlade gravitationella påverkan skulle förklara det galaxbeteende som astronomer observerar.
Forskarna dämpar entusiasmen – än så länge är det en stark kandidat
Trots märkbar uppståndelse inom forskarsamhället håller forskarna ett lugnt huvud. Analysen, som publicerats och lämnats in till en ansedd vetenskaplig tidskrift, genomgår fortfarande granskningsprocessen. Forskarna talar uttryckligen om en ”kandidat” till ett primordialt svart hål.
Det återstår att kontrollera om signalen inte kan förklaras på annat sätt – exempelvis som ett resultat av komplexa interaktioner i extremt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda multipla system där en serie kollisioner och infångningar genererar komplicerade gravitationsvågor. För tillfället tyder allt på att tolkningen med ett primordialt svart hål är den enklaste och bäst stämmer överens med data, men fysikerna behöver ytterligare ett avgörande element: upprepning.
Om LVK-detektorerna under den pågående kampanjen registrerar en andra liknande signal med ett objekt under solens massa, får hypotesen om primordiala svarta hål en helt annan tyngd – från en teoretisk kuriositet förvandlas den till en ny kategori av verkliga kosmiska objekt.
Hur LIGO, Virgo och Kagra lyssnar på rymdtiden
Gravitationsvågor är mikroskopiska ripplar i rymdtidens själva struktur. För att fånga dem byggde forskare enorma interferometrar – instrument som mäter minimala avståndsvariationer mellan speglar placerade i tunnlar flera kilometer långa.
LIGO i USA, Virgo i Italien och Kagra i Japan bildar tillsammans ett globalt nätverk av ”öron” som lyssnar på avlägsna kosmiska katastrofer. När en gravitationsvåg passerar genom jorden komprimerar den kortvarigt en arm i interferometern och förlänger den andra. Förändringen är mindre än diametern på en proton, men den känsliga apparaturen kan registrera den.
- LIGO – två detektorer i USA som som första registrerade gravitationsvågor år 2015
- Virgo – europeisk interferometer som förbättrar precisionen vid lokalisering av signalkällor på himlen
- Kagra – japansk detektor kyld till extremt låga temperaturer, byggd i en tunnel under ett berg
- Detektornätverket möjliggör triangulering och exakt bestämning av signalkällans position
- Varje detektor använder lasrar och spegelsystem i ultračist vakuum
- Seismisk isolering skyddar instrumenten mot vibrationer från marken
- Aktiva dämpningssystem kompenserar för mikroskakningar från trafik och natur
- Data bearbetas av superdatorer kapabla att utvärdera miljontals parametrar
Tack vare samarbetet mellan dessa tre instrument kan forskarna inte bara mäta vågformens form, utan också rekonstruera parametrarna för de objekt som orsakade dem: massa, avstånd och till och med rotation. Det var just denna metod som gjorde det möjligt att slå fast att ett objekt under solens massa deltog i händelsen S251112cm.
Vad en gravitationsvåg faktiskt är
Förenklat kan man likna den vid en vattenvåg – men istället för att breda ut sig i vatten rör den sig i rymdtidens själva struktur. När enorma massor som svarta hål kretsar runt varandra och kolliderar ”krusas” rymdtiden så intensivt att effekten av denna storm når fram miljarder ljusår bort.
LIGO och övriga detektorer registrerar ingen bild av objektet, utan en precis inspelning av hur längden på interferometerns armar förändras. Utifrån denna kurva anpassar datorn den bästa kollisionsmodellen och extraherar information om de inblandade objektens massor och typ.
Gravitationsvågor passerar genom materia praktiskt taget utan interaktion, till skillnad från elektromagnetisk strålning. Därför ger de information om händelser som annars skulle förbli osynliga – till exempel inifrån kolliderande svarta hål eller från de första ögonblicken efter Big Bang.
Jakten på fler minisvarta hål och konsekvenserna för fysiken
Om tolkningen av det primordiala svarta hålet håller för kritik kan man under kommande år förvänta sig en offensiv av ny forskning. Astronomer kommer att söka igenom arkiv från tidigare LVK-kampanjer för att hitta ytterligare förbisedda signaler med objekt under solens massa.
Parallellt kommer teoretiker att anpassa modellerna för hur primordiala svarta hål bildades utifrån nya begränsningar: hur ofta de kunde uppstå, vilken typisk massa de har och om deras population verkligen kan förklara den mörka materian. Det innebär korrigeringar av scenarierna för det unga universums utveckling, inklusive faser kopplade till mycket tidiga omvandlingar av materia.
För allmänheten låter ämnet abstrakt, men det har förvånansvärt konkreta konsekvenser. Om den mörka materian visade sig vara ett moln av minisvarta hål skulle det förändra planeringen av framtida rymduppdrag, prognoserna för signaler i neutrinodetektorer och utformningen av elementarpartikelexperiment. Det skulle även påverka förståelsen av galaxstrukturer, svarta håls beteende i universums tidiga faser och till och med framtida strategier för sökandet efter utomjordiskt liv.
Varje ytterligare registrerad signal med så små svarta hål ger en möjlighet att testa gravitationsteorin under extrema förhållanden. Det kan i sin tur visa var man ska leta efter ny fysik bortom den allmänna relativitetsteorin och standardmodellen för partiklar. Kanske är det just härifrån som teknologier kommer att växa fram som om några år tränger in i vardagslivet – precis som satellitnavigering och avancerade medicinska bildgivningsmetoder en gång hade sina rötter i det förra seklets teoretiska fysik.
