Ett märkligt gravitationsvågssignal förbryllar forskarvärlden
Ett ovanligt signal från gravitationsvågor avslöjade ett objekt så lätt att det inte stämmer överens med någon känd modell för stjärnbildning. Experter spekulerar nu om ett spår från universums allra första mikrosekunder efter Big Bang.
Forskare inom samarbetet LIGO–Virgo–Kagra analyserade en registrerad kollision mellan två kompakta objekt, märkt med beteckningen S251112cm. När de beräknade massorna hos de inblandade kropparna visade det sig att en av dem väger mindre än vår egen sol. Enligt klassisk astrofysik borde ett sådant svart hål helt enkelt inte existera. Det är just därför en del av forskarna nu menar att vi kanske tittar på det första spåret av ett så kallat ursvartet hål, bildat kort efter Big Bang.
Gravitationsvågor utgör ett avgörande verktyg för astronomers utforskning av kosmos. Medan de flesta tidigare fynd rört svarta hål med massor på några tiotals solmassor, sticker det här fallet ut genom sin förvånansvärt låga massa. En sådan upptäckt kan förändra vår förståelse av det tidiga universum och kanske lösa gåtan kring mörk materia.
Hur gravitationsvågor avslöjade en kosmisk gåta
Allt börjar med ett till synes rutinmässigt uppfångande av gravitationsvågor via detektornätverket LIGO, Virgo och japanska Kagra. Dessa enorma interferometrar mäter mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar när gravitationsvågor passerar genom jorden. De flesta sådana signaler härstammar från kollisioner mellan svarta hål med massor på tiotals solmassor.
Den här gången avslöjade analysen av händelsen S251112cm något helt exceptionellt. Ett av de två sammansmältande objekten har en massa i intervallet från en tiondels upp till strax under en solmassa. Ett så lätt svart hål ryms inte inom ramen för kända processer i stjärnutvecklingen.
Forskarna undersökte omedelbart mer konventionella förklaringar. Om signalen hade sitt ursprung i en kollision mellan neutronstjärnor eller vita dvärgar borde det ha gett avtryck i form av ljus – i form av gammastrålning, röntgenstrålning eller åtminstone synligt ljus. Sökandet efter ett sådant ljussken gav inget resultat alls. Därmed kvarstod ett betydligt mer exotiskt scenario.
Ett svart hål mindre än en svensk stad
Objekt med massor i närheten av solens som förekommer i astronomiska kataloger är oftast täta neutronstjärnor. Ett typiskt svart hål som bildas vid kollapsen av en massiv stjärna är mycket tyngre – enligt nuvarande modeller måste det ha minst ungefär tre solmassor. För astrofysiker är därför ett objekt med 0,87 solmassor en fullständig anomali.
För ett objekt med en massa i storleksordningen 0,87 solmassor ger beräkningarna dimensioner jämförbara med en mellanstor svensk stad. Diametern på en sådan rymdtidsfälla skulle vara ungefär fem kilometer – en sträcka man bekvämt kan springa på en halvtimme. Ändå talar vi om att nästan hela solens massa är packad i en sådan skala.
För att skapa något så extremt krävs förhållanden som inga kända processer i stjärnor kan åstadkomma. Astrofysiker betonar att klassisk stjärnutvecklings fysik omöjliggör bildandet av ett svart hål med så låg massa genom en ordinär kärnkollaps. Det är just därför forskarna vänder blicken mot universums tidiga epoker.
Ett spår från de första mikrosekunderna efter Big Bang
Därför riktar analysens upphovsmän, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, sin uppmärksamhet långt tillbaka i tiden – till en era då universum var yngre än en miljondelssekund. Under denna period beter sig materia annorlunda än i dag, dominerad av ett så kallat kvark-gluonplasma med otänkbara tätheter och temperaturer.
Redan på 1970-talet förutsåg teoretiska fysiker, däribland Stephen Hawking, att lokala täthetsfluktuationer i en sådan miljö kunde kollapsa under sin egen tyngd och bilda hela populationer av miniatyrssvarta hål. De fick namnet primordialsvarta hål. Teamet antyder att det analyserade objektet kan ha uppstått just under den era som är kopplad till kvantkromodynamikens fysik, några mikrosekunder efter Big Bang.
Om detta scenario stämmer skulle signalen S251112cm vara det första påtagliga beviset på att sådana objekt faktiskt överlevt ända till våra dagar. Det skulle innebära att universum redan under sina allra första ögonblick började producera svarta hål i en utsträckning som hittills enbart diskuterats i ekvationer. För kosmologer vore det en revolutionerande upptäckt.
- Signalens varaktighet ger information om massan hos kollisionsparet
- Amplituden omvandlas till källans avstånd från jorden
- Slutfrekvensen gör det möjligt att uppskatta det nyskapade objektets massa
- Frånvaron av en ljussignal hjälper till att utesluta neutronstjärnor
- Signalens form avslöjar typen av kolliderande objekt
- Interferometrisk teknik kan fånga upp förändringar mindre än en bråkdel av en protons diameter
- LIGO-detektorerna har armar som är flera kilometer långa
- Virgo i Italien och Kagra i Japan utgör ett globalt nätverk
Kan mörk materia vara ett hav av miniatyrssvarta hål?
Pusslet blir ännu mer fascinerande när forskarna kopplar samman den här kandidaten till ett primordialt svart hål med problemet kring mörk materia. Det är sedan decennier känt att synlig materia – stjärnor, gas och stoft – endast utgör en liten del av den kosmiska massbalansen. Ungefär 85 procent utgörs av en osynlig komponent som enbart yttrar sig genom gravitation.
Många forskargrupper har sökt efter partiklar som kan förklara denna saknade komponent, exempelvis WIMPs registrerade i underjordiska detektorer. Hittills har sökandet inte gett något entydigt resultat, vilket öppnat dörren för alternativa idéer. Om primordialsvarta hål existerar i tillräckligt antal och med rätt massfördelning kan de utgöra en väsentlig del – kanske till och med hela – av den mörka materian.
Den nya analysen tyder på att det detekterade objektet passar in i ett sådant scenario. Masssignaturen stämmer överens med förutsägelserna i vissa modeller för populationer av primordialsvarta hål. I en sådan vision är mörk materia inte exotiska partiklar vi inte kan rikta in oss på, utan otaliga svarta hål utspridda över hela kosmos sedan universums tidigaste epoker. För partikelfysiken skulle det innebära mindre utrymme att leta efter nya elementarpartiklar.
Signalen är lovande – men inte avgörande ännu
Trots entusiasmen dämpar en del forskare förväntningarna. Uppskattningar visar att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent, men tolkningen kräver försiktighet. Det finns fortfarande mer komplicerade scenarion kopplade till system med många objekt i täta stjärnhopar som kan generera atypiska signaler.
Därför betecknar teamet tills vidare objektet som en kandidat till ett primordialt svart hål. För att gå från förslag till ett starkt slutsats behöver fysikerna fler liknande händelser. Den pågående observationskampanjen inom LVK-nätverket spelar här en avgörande roll – detektorerna når ständigt högre känslighet, vilket gör att chansen att registrera ytterligare signaler ökar år för år.
En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar skulle kunna förvandla en intrigerande hypotes till ett nytt kapitel inom kosmologin. Om flera oberoende händelser bekräftar förekomsten av en hel klass av subsolära svarta hål måste fysiker skriva om lärobokskapitlen om Big Bang, tidig kosmologi och mörk materias natur. Det vore en banbrytande upptäckt jämförbar med upptäckten av gravitationsvågor i sig.
Vad ett bekräftande av primordialsvarta hål skulle förändra
Om framtida observationer stöder Cappellutis och Magaraggias tolkning väntar en rad konsekvenser. Kosmologin får ett verktyg för att studera ultratidig historia – långt tidigare än den epok som den kosmiska bakgrundsstrålningen härstammar ifrån. Primordialsvarta hål skulle fungera som sonder som bär minnet av förhållandena under kosmosens allra första mikrosekunder.
Även teorin om galaxers bildning skulle behöva revideras. En ytterligare population av täta kompakta objekt förändrar hur materia ansamlas, hur halon av mörk materia växer och hur de första stjärnorna bildas. För att göra det begripligt kan man föreställa sig en gryta med kokande soppa där bubblor ständigt stiger och sjunker.
I det mycket tidiga universum var sådana bubblor förtätningar av materia. De flesta skingrades när universum expanderade, men en del kan ha varit så täta att de kollapsade under sin egen tyngd och bildade svarta hål. Under de följande miljarder åren skulle sådana objekt ha rört sig nästan osynligt mellan och inuti galaxer, och ibland krockat med varandra. Det är just vid sådana sällsynta kollisioner som gravitationsvågor skapas – de vågor som dagens markbaserade detektorer fångar upp. Varje sådan signal fungerar alltså som ett vykort skickat från universums allra första ögonblick, med information om förhållanden som annars är omöjliga att observera på något annat sätt.
