En kosmisk fossil från universums första sekund
Astrofysiker i USA har fångat upp en gravitationsvåg från ett objekt som enligt preliminära analyser uppstod under den första sekunden efter Big Bang. Det verkar väga mindre än solen – något som strider mot allt vi vet om vanliga svarta hål.
Om tolkningen stämmer vore det en revolution inom kosmologin. Det skulle vara det första spåret av ett primordialt svart hål – en kvarleva från en tid då inga stjärnor ännu existerade. Dessutom skulle det kunna ge en delförklaring till vad mörk materia faktiskt består av.
Forskarna Alberto Magaraggia och Nico Cappelluti vid University of Miami analyserade data från gravitationsvågsdetektorn LIGO och visade att signalen kallad S251112cm har egenskaper som bäst stämmer överens med ett primordialt svart hål. Objektet kolliderade med ett annat himlakroppar och skapade de gravitationsvågor som registrerades. För att detta ska räknas som ett verkligt genombrott behövs åtminstone ett flertal liknande signaler – men redan möjligheten att detektera så exotiska objekt markerar ett nytt kapitel i astronomins historia.
Hur ett svart hål kan bildas utan en stjärna
Det klassiska sättet ett svart hål formas känner du säkert igen från fysikböckerna. En massiv stjärna kollapsar under sin egen tyngd i slutet av sitt liv, exploderar som en supernova och dess kärna omvandlas till ett svart hål. Ett sådant objekt har typiskt några till några tiotal solmassor.
Den nya signalen berättar en helt annan historia. Objektet som kolliderade och skapade de registrerade gravitationsvågorna har en massa som är betydligt lägre än solens. Teoretiskt sett borde det inte ens existera – såvida det inte bildades på ett helt annat sätt än via en stjärna.
En möjlig förklaring är just ett primordialt svart hål, fött under extrema förhållanden strax efter Big Bang, innan de allra första stjärnorna ens hade hunnit formas. Dessa objekt är kosmiska fossil från universums allra första sekund.
Enligt teoretiska modeller kan de ha uppstått ur mycket täta ansamlingar av subatomärt material i ett hett och ofattbart snabbt expanderande universum. De krävde ingen stjärna, ingen supernovaexplosion – bara ren, extrem densitet.
Varför massan gör hela skillnaden i det här fallet
De svarta hål som astronomer vanligtvis observerar faller inom två typiska massintervall. Den första gruppen består av objekt med några till ett par tiotal solmassor – rester efter massiva stjärnor. Den andra gruppen är supermassiva svarta hål i galaxers centra, med miljoner till miljarder solmassor.
Objektet som den nya signalen antyder hamnar långt under den nedre gränsen för kända fall. Det utesluter i praktiken det klassiska stjärnscenariot och öppnar dörren för konceptet primordala svarta hål.
Astrofysikerna jämförde den förväntade förekomstfrekvensen av sådana objekt med faktiska data från LIGO, som samlas in sedan 2015. Signalets sällsynthet stämmer väl överens med teoretiska modeller för primordala svarta hål – det dyker upp precis så sporadiskt som det borde, om dessa objekt verkligen existerar.
Forskarna undersökte också om en liknande låg massa kunde tillhöra någon annan typ av kompakt objekt, till exempel en neutronstjärna. Men signalets egenskaper pekar tydligt på en kollisionshändelse som snarare liknar ett svart hål än en neutronstjärna.
Hur LIGO lyssnar på universum via gravitationsvågor
Bakom hela upptäckten står LIGO – det amerikanska gravitationsvågsobservatoriet som mäter mikroskopiska rörelser i rummet som uppstår när extremt massiva objekt krockar. År 2015 registrerade LIGO för första gången en signal från en kollision mellan svarta hål, vilket ledde till Nobelpriset och en revolution inom astronomin.
Nu fångar samma instrument upp något betydligt mer subtilt. Signalen S251112cm utmärker sig genom objektets massa, som inte låter sig inordnas i några kända kategorier. Magaraggia och Cappelluti analyserade datan och pekar ut ett primordialt svart hål som den mest övertygande förklaringen.
LIGO har visat att det inte bara klarar av att registrera spektakulära kollisioner mellan massiva svarta hål, utan även kan spåra mycket lättare och mer exotiska objekt gömda i datans brus. Detektorerna använder laserinterferometrar med armar som är fyra kilometer långa, placerade i Hanford i delstaten Washington och i Livingston i Louisiana.
En enda kollision avgör naturligtvis ingenting. En sådan signal kan ha alternativa förklaringar och astrofysiker är kända för sin försiktighet. Därför erkänner forskarna öppet att de behöver ett flertal – helst ett tiotal – liknande händelser för att kunna bekräfta fynd med någon säkerhet. Ändå är det redan ett genombrott att instrumenten alls uppnår en sådan känslighet.
Är primordala svarta hål universums dolda massa
Men det slutar inte där. Om signalen verkligen kommer från ett primordialt svart hål rör vi vid ett problem som fysiker brottats med i decennier – det som kallas mörk materia.
Observationer av stjärnors och galaxers rörelser visar att det saknas en enorm mängd massa i universum. Allt vi kan se – stjärnor, planeter, gas, stoft – utgör bara ungefär femton procent av det som krävs för att förklara universums gravitationsbeteende. Resten består av osynlig materia som varken lyser eller reflekterar ljus, men som utövar gravitation.
En av hypoteserna säger att en betydande del av denna saknade massa skulle kunna utgöras av just primordala svarta hål, utspridda i rymden som mikroskopiska, osynliga ”tyngdkulor”. Om LIGO verkligen har börjat registrera sådana objekt handlar det inte bara om en kuriosa.
Forskarna får ett verktyg för att räkna dessa hål och uppskatta deras samlade massa. Varje ny händelse hjälper till att besvara frågan om primordala svarta hål kan förenas med observationer av galaxer, stjärnhopar eller den kosmiska bakgrundsstrålningen.
Vissa teoretiker påpekar dock att om primordala svarta hål stod för all mörk materia, borde vi se betydligt mer gravitationslinsning – alltså hur ljus böjs runt sådana objekt. Det har hittills inte bekräftats, vilket realistiskt sett antyder att de kanske bara utgör en bråkdel av den mörka materian.
Vad projektet LISA och nästa generations detektorer kan ge oss
LIGO är inte det enda instrumentet på horisonten. Europeiska rymdorganisationen utvecklar projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – en rymdbaserad gravitationsvågsdetektor. Tre satelliter ska bilda en gigantisk triangulär interferometer i bana runt solen. Uppskjutningen planeras till mitten av 2030-talet.
LISA kommer att vara känslig för ett annat frekvensområde än LIGO, vilket innebär att den fångar upp helt nya typer av källor. För primordala svarta hål kan det bli ett genombrott – vissa av dem, särskilt de i binära system, kan generera vågor som passar perfekt med rymdinterferometerns känslighetsområde.
- LIGO detekterar frekvensområdet tiotals till tusentals hertz, lämpligt för kollisioner mellan stjärnsvarta hål
- LISA kommer att fånga upp millihertzområdet, motsvarande mer massiva och avlägsna objekt
- Einstein Telescope i Europa planeras vara i drift inom de närmaste femton åren med tio gånger högre känslighet
- Cosmic Explorer i USA föreslår armar på fyrtio kilometer istället för nuvarande fyra
- Den japanska detektorn KAGRA är redan i drift och lägger till en tredje kontinent i observatörsnätverket
- Pulsar timing array övervakar millisekundspulsarer och letar efter gravitationsvågor med en period av år
Hur man föreställer sig ett svart hål lättare än solen
Ett svart hål lättare än solen låter abstrakt, så låt oss försöka göra det mer konkret. Om ett primordialt svart hål hade massan av en stor asteroid, skulle det ha en storlek nära en fotboll – kanske ännu mindre. Ändå skulle dess gravitation överstiga en hel bergskedjas, och nära händelsehorisonten skulle inte ens ett ljusstråle kunna fly.
Sådana objekt är i princip omöjliga att upptäcka med vanliga teleskop. De lyser inte och reflekterar inget ljus. Ibland avslöjar de sig enbart genom att böja ljusstrålar som passerar bakom dem – eller, som i det här fallet, genom att sända ut gravitationsvågor vid en kollision med annan materia.
Forskare uppskattar att det i vår galax kan finnas miljoner till miljarder sådana miniatyrsvartha hål, om de alls existerar. Att identifiera dem individuellt är nästan omöjligt, men deras samlade effekt på stjärnrörelser och kosmisk strålning skulle kunna vara mätbar.
Vad en ovanlig observation förändrar för framtida forskning
Även om signalen S251112cm kräver bekräftelse påverkar den redan hur forskare planerar sina kommande studier. Arkivdata granskas nu systematiskt för att hitta liknande, tidigare förbisedda händelser. Teoretiska grupper finjusterar modeller som förutsäger hur kollisioner mellan primordala svarta hål med olika massor borde se ut.
För oss vanliga betraktare visar hela berättelsen hur snabbt astronomin förändras. För bara tio år sedan var gravitationsvågor enbart ett begrepp hämtat ur Einsteins ekvationer. Idag håller de på att bli ett verktyg för att utforska de mest otillgängliga epokerna i universums historia – de som inget optiskt eller radioteleskop kan visa.
Om de kommande åren ger fler liknande signaler kan begrepp som primordialt svart hål och mörk materia sluta låta som ren teori. Med tiden kan de bli en del av konkreta kataloger med beskrivna massor, kollisionsfrekvenser och inflytande på galaxers utveckling. Och då börjar frågorna om ursprunget till allt omkring oss att få mycket mer precisa, beräkningsbara svar. Kanske får vi snart veta om det verkligen finns fossil från universums första sekund – och vad de kan berätta om verklighetens innersta struktur.
