Ett fynd som kan skriva om kosmologins läroböcker
Astrofysiker i USA har fångat upp gravitationsvågor som troligen härstammar från ett svart hål bildat under universums allra första ögonblick efter Big Bang. Det märkliga är att objektet väger mindre än vår egen Sol – något som strider mot allt vetenskapen hittills trott sig veta om svarta hål.
Om tolkningen stämmer handlar det om första gången i historien som vi faktiskt spårat ett så kallat primordialt svart hål. Det vore ett fossilt kvarlevor från universums första sekund – länge innan några stjärnor ens existerade.
Forskarna bakom analysen, Alberto Magaraggia och Nico Cappelluti vid University of Miami, granskade data från gravitationsvågdetektorn LIGO. Deras slutsats pekar mot att dessa exotiska objekt verkligen finns till. Signalen har fått beteckningen S251112cm och är långt ifrån bara en teoretisk spekulation.
Ett svart hål som aldrig behövde någon stjärna
Standardbilden av hur ett svart hål uppstår är välbekant från grundläggande astrofysik. En massiv stjärna kollapsar under sin egen tyngd, exploderar som en supernova och dess kärna omvandlas till ett svart hål. Därför brukar sådana objekt ha en massa på några till tiotals solmassor.
Med den nya signalen ser det annorlunda ut. Objektet som kolliderade med ett annat himlakroppsliknande föremål och skapade de registrerade gravitationsvågorna har en massa som är klart lägre än Solens. Det borde rent teoretiskt inte existera – om det inte bildades på ett helt annat sätt.
Den rimligaste förklaringen är ett primordialt svart hål, fött under extrema förhållanden strax efter Big Bang, innan de första stjärnorna ens hade formats. Sådana objekt beskrivs som kosmiska fossil från universums allra första sekund.
Enligt teorin kan de ha uppstått ur extremt täta ansamlingar av subatomärt material i det heta, oerhört snabbt expanderande unga universum. Ingen stjärna krävdes, ingen supernovaexplosion – enbart ren, extrem densitet.
Varför massan gör hela skillnaden
Svarta hål som astronomer vanligtvis observerar faller inom två tydliga massintervall. Den första gruppen består av några till tiotals solmassor – rester efter massiva stjärnor. Den andra gruppen rymmer miljoner till miljarder solmassor – de jättestora svarta hålen i galaxers centrum.
Objektet som den nya signalen antyder befinner sig markant under den nedre gränsen för de kända kategorierna. Det gör att det klassiska stjärnbaserade scenariot i princip utesluts och öppnar dörren för konceptet primordialsvarta hål.
Astrofysikerna jämförde den förväntade förekomstfrekvensen för sådana objekt med verkliga data från LIGO, som samlas in sedan 2015. Signalets sällsynthet stämmer väl överens med de teoretiska modellerna. Med andra ord dyker den upp precis så sporadiskt som den borde, om dessa objekt faktiskt existerar.
Forskarna lyfter fram sex avgörande egenskaper hos signalen S251112cm:
- Objektets massa understiger en solmassa
- Förekomstfrekvens som matchar teoretiska förutsägelser
- Gravitationsvågornas form skiljer sig från standardkollisioner
- Avsaknad av elektromagnetisk strålning typisk för stjärnbaserade svarta hål
- Överensstämmelse med modeller för universums tidiga inflationsfas
- Lågt signal-brus-förhållande som kräver sofistikerad analys
Hur LIGO ”lyssnar” på universum via gravitationsvågor
Bakom hela upptäckten står LIGO – det amerikanska observatoriet för gravitationsvågor, som mäter mikroskopiska vibrationer i rumtiden skapade vid kollisioner mellan extremt tunga objekt. År 2015 registrerade LIGO för första gången en signal från kolliderade svarta hål, något som utlöste en revolution inom astronomin.
Nu fångar samma instrument upp något betydligt mer subtilt. Signalen S251112cm utmärker sig genom objektets massa, som inte låter sig enkelt placeras i någon känd kategori. De två Miami-forskarnas analys pekar mot ett primordialt svart hål som den mest sammanhängande förklaringen.
LIGO har visat att det inte bara kan registrera spektakulära kollisioner mellan massiva svarta hål, utan även spåra mycket lättare och mer exotiska objekt dolda i datanoisens brus. Laboratorierna i Hanford och Livingston använder laserinterferometrar med fyra kilometer långa armar.
En enstaka kollision avgör dock inget definitivt. Sådana signaler kan ha alternativa tolkningar och astrofysiker är kända för sin försiktighet. Därför erkänner forskarna öppet att de behöver minst ett tiotal liknande händelser för att nå ett starkt bekräftande resultat. Det faktum att instrumenten ens uppnår denna känslighet öppnar ändå upp ett helt nytt forskningsområde.
Kan primordialsvarta hål vara universums mörka materia?
Här slutar det inte. Om signalen verkligen härstammar från ett primordialt svart hål rör vi vid ett problem som fysiker brottats med i decennier – den så kallade mörka materian.
Observationer av stjärnors och galaxers rörelser visar att det saknas enorma mängder materia i universum. Allt vi ser – stjärnor, planeter, gas och stoft – utgör bara ungefär femton procent av det som behövs för att förklara universums gravitationsbeteende. Resten utgörs av osynlig materia som varken lyser eller reflekterar ljus, men som utövar gravitationell dragning.
En av hypoteserna hävdar att en betydande del av denna saknade materia kan bestå av just primordialsvarta hål, utspridda i rymden som mikroskopiska, osynliga masskulor. Om LIGO faktiskt har börjat registrera sådana objekt är det långt ifrån en kuriositet.
Forskarna får ett verktyg för att räkna dem och uppskatta deras samlade massa. Varje ny händelse hjälper till att besvara frågan om primordialsvarta hål kan stämma överens med observationer av galaxer, galaxhopar och den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.
Astrofysiker vid Stanford University och MIT samarbetar om att skapa kataloger över dessa objekt. Forskargrupper vid Caltech förfinar algoritmer för signalfiltrering. Teoretiker vid University of Cambridge arbetar vidare med modeller för hur de bildas.
Vad LISA och nästa generations detektorer kan avslöja
LIGO är inte det enda instrumentet på horisonten. Europeiska rymdorganisationen ESA utvecklar projektet LISA – en rymdbaserad gravitationsvågdetektor. Tre satelliter ska bilda en gigantisk triangulär interferometer i omloppsbana runt Solen. Uppskjutningen planeras till mitten av 2030-talet.
LISA kommer att vara känslig för andra frekvensintervall än LIGO, vilket innebär att den kan fånga upp helt nya typer av källor. För primordialsvarta hål kan detta bli ett genombrott – vissa av dem, särskilt de i par, kan generera vågor som passar perfekt till den kosmiska interferometerns känslighet.
LISA-projektet inbegriper samarbete mellan ESA och NASA. Interferometerns armar kommer att vara två och en halv miljoner kilometer långa. Testsatelliten LISA Pathfinder slutförde redan framgångsrikt sitt verifieringsuppdrag.
Hur man föreställer sig ett så litet svart hål
Ett svart hål som väger mindre än Solen låter abstrakt, så det är värt att sätta det i ett begripligt sammanhang. Om ett primordialt svart hål hade massan av en stor asteroid, skulle det ha en storlek ungefär som en fotboll – kanske ännu mindre. Ändå skulle dess gravitation överstiga hela bergs, och vid händelsehorisonten skulle inte ens ljuset kunna fly.
Sådana objekt är i det närmaste omöjliga att detektera med vanliga teleskop. De lyser inte, reflekterar inget ljus och kan ibland bara röja sig genom att böja ljusstrålar som passerar bakom dem – eller, som i det här fallet, genom att sända ut gravitationsvågor vid en kollision.
Händelsehorisonten på ett sådant svart hål skulle ha en diameter på några centimeter upp till några meter. Densiteten skulle vara jämförbar med en atomkärna. Ett objekt med halva Solens massa skulle rymmas i en sfär stor som Stockholm.
Vad ett ovanligt fynd förändrar för framtidens forskning
Även om signalen S251112cm ännu kräver bekräftelse påverkar den redan hur forskare planerar kommande studier. Arkivdata granskas nu systematiskt med fokus på liknande, tidigare förbisedda händelser. Teoretiska team finsliper modeller som förutsäger exakt hur kollisioner mellan primordialsvarta hål av 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. I dag är de ett verktyg för att utforska de mest otillgängliga epokerna i universums historia – epoker som inget optiskt eller radioteleskop någonsin kan visa oss.
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 objektkataloger, med dokumenterade massor, kollisionsfrekvenser och påverkan på galaxernas utveckling. Och då börjar frågorna om ursprunget till allt vi omges av få mycket fler mätbara, numeriska svar.
