En mystisk signal från rymden sätter fysiker på övertid

En ovanlig gravitationsvågssignal har lämnat forskare häpna. Den insamlade datan pekar på ett objekt så lätt att det helt enkelt inte passar in i några kända modeller för stjärnbildning.

Forskare från LIGO–Virgo–Kagra-samarbetet har analyserat en registrering av två kompakta objekts kollision, katalogiserad som S251112cm. När de räknade på massorna hos de inblandade objekten visade det sig att det ena väger mindre än solen. Enligt klassisk astrofysik borde ett sådant svart hål inte alls existera. Det är just därför som en del forskare nu talar om att vi kanske ser det första spåret någonsin av ett så kallat primordial svart hål — skapat omedelbart efter Big Bang.

Gravitationsvågor för med sig ett kosmiskt mysterium

Det hela börjar med vad som vid första anblicken liknar en rutinmässig registrering av gravitationsvågor från nätverket av detektorer — LIGO, Virgo och det japanska Kagra. Dessa gigantiska interferometrar mäter mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar, orsakade av gravitationsvågor som passerar genom jorden.

De flesta sådana signaler härrör från kollisioner mellan svarta hål med massor motsvarande tio eller trettio solmassor. Den här gången avslöjade analysen av händelsen S251112cm något alldeles särskilt: ett av de två kolliderande objekten har en massa på någonstans mellan cirka en tiondel och lite under en solmassa.

Ett så lätt svart hål passar inte in i ramarna för kända processer inom stjärnornas evolution. Det är en stark signal om att vi har att göra med en helt annan bildningsmekanism.

Forskarna undersökte omedelbart de mer traditionella förklaringarna. Om signalen härstammade från en kollision mellan neutronstjärnor eller vita dvärgar borde man också kunna registrera det i ljus — i form av gammastrålar, röntgenstrålning eller åtminstone synligt ljus. Men ingen medföljande ljusblixt hittades. Det lämnar ett långt mer exotiskt scenario som den enda möjligheten.

Ett svart hål mindre än en stad

Objekt med en massa nära solens, som vi känner från astronomiska kataloger, är för det mesta mycket täta neutronstjärnor. Ett typiskt svart hål som bildas vid kollaps av en massiv stjärna är långt tyngre — enligt nuvarande modeller måste det ha minst omkring tre solmassor.

För ett objekt med en massa på cirka 0,87 solmassor ger beräkningarna dimensioner som kan jämföras med en större stad. Diametern på en sådan rumtidsfälla skulle vara ungefär 5 kilometer — ett avstånd man lugnt kan springa på en halvtimme. Och vi talar alltså om att packa nästan hela solens massa ner i den skalan.

För att skapa något så extremt krävs förhållanden som inga kända processer i stjärnor kan leverera. Astrofysiker understryker att klassisk stjärnfysik helt enkelt inte tillåter bildning av ett svart hål med så låg massa via en vanlig kärnkollaps.

Ett avtryck från universums allra första mikrosekunder

Just därför riktar analysens författare, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, blicken långt tillbaka i tiden — till den period då universum var yngre än en miljontedels sekund. I den epoken beter sig materia radikalt annorlunda än i dag: den domineras av det så kallade kvark-gluon-plasmat, och tätheter och temperaturer är fullständigt ofattbara.

Redan på 1970-talet förutsåg teoretiska fysiker, däribland Stephen Hawking, att lokala fluktuationer i tätheten under sådana förhållanden kunde kollapsa under sin egen vikt och därmed skapa en hel population av miniatyra svarta hål. Dessa fick beteckningen primordial svarta hål.

Teamet antyder att det analyserade objektet kan ha uppstått just i den era som är kopplad till kvantkromodynamikens fysik, bara några mikrosekunder efter Big Bang.

Om detta scenario är korrekt skulle signalen S251112cm vara det första handgripliga beviset för att sådana objekt faktiskt har överlevt till våra dagar. Det skulle innebära att universum redan i sina allra första ögonblick började producera svarta hål i en omfattning som man hittills bara talat om i ekvationer.

Är mörk materia ett hav av miniatyrsvarta hål?

Pusslet blir ännu mer fascinerande när forskarna kopplar denna kandidat till ett primordialt svart hål med problemet om så kallad mörk materia. I årtionden har man vetat att synlig materia — stjärnor, gas och damm — bara utgör en liten del av universums totala massa. Cirka 85 procent utgörs av en osynlig komponent som bara avslöjar sig genom tyngdkraften.

Många forskargrupper har hittills letat efter partiklar som skulle kunna förklara denna saknade ingrediens, som exempelvis WIMPs registrerade i underjordiska detektorer. Sökningarna har ännu inte gett ett entydigt svar, vilket har öppnat dörren för alternativa idéer.

Om primordial svarta hål existerar i tillräckligt antal och med rätt massfördelning kan de utgöra en väsentlig del — kanske till och med hela — av den mörka materien.

Den nya analysen antyder att det detekterade objektet passar in i ett sådant scenario. Massasignaturen stämmer överens med förutsägelserna från vissa modeller för populationer av primordial svarta hål. I den visionen är mörk materia inte exotiska partiklar vi inte kan spåra, utan otaliga svarta hål spridda över hela kosmos sedan de tidigaste epokerna.

En lovande signal — men ännu inte avgörande

Trots entusiasmen dämpar en del forskare förväntningarna. Estimaten visar att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent, men tolkningen kräver fortfarande försiktighet. Det existerar fortfarande mer komplexa scenarion knutna till system med flera objekt i täta stjärnhopar, som kan generera ovanliga signaler.

Därför betecknar teamet tillsvidare objektet som en ”kandidat” till ett primordialt svart hål. För att röra sig från antydan till solida bevis har fysikerna behov av fler liknande händelser. Den pågående observationskampanjen i LVK-nätverket spelar en avgörande roll: detektorerna uppnår allt högre känslighet, och chansen för nya registreringar växer år för år.

En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar skulle kunna förvandla en intrigerande hypotes till ett nytt kapitel i kosmologin.

Om flera oberoende händelser bekräftar existensen av en hel klass av sub-solära svarta hål kommer fysiker att vara tvungna att skriva om kapitlen om Big Bang, tidig kosmologi och mörk materias natur i läroböckerna.

Hur fungerar en gravitationsvågsdetektor?

För att förstå vikten av den aktuella signalen är det värt att veta vad LIGO och Virgo egentligen mäter. Det rör sig om anläggningar där en laserstråle löper i två vinkelräta armar och reflekteras från speglar med kilometers mellanrum. När en gravitationsvåg passerar genom detektorn komprimerar den den ena axeln en aning och sträcker den andra.

Förändringen i armlängd är mindre än en bråkdel av en protons diameter, men avancerad interferometri gör det möjligt att fånga den. Från formen av det registrerade ”kvittret” av gravitationsvågor kan forskarna avläsa massor, avstånd och typen av de kolliderande objekten.

Signalens varaktighet ger information om komponenternas massor.
Amplituden återspeglar källans avstånd.
Den slutliga frekvensen ger en uppskattning av det bildade objektets massa.
Frånvaron av ljusemission hjälper till att utesluta neutronstjärnor.

I fallet S251112cm satte sig alla dessa element samman till en bild av ett system där den ena deltagaren har en ovanligt låg massa. Det är just denna detalj som har väckt så stor uppmärksamhet.

Vad skulle en bekräftelse av primordial svarta hål förändra?

Om framtida observationer stöder Cappellutis och Magaraggias tolkning väntar en serie av konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett nytt verktyg för att studera ultratidiga epoker — långt tidigare än den period som bakgrundsstrålningen härstammar från. Primordial svarta hål skulle fungera som sonder som minns förhållandena i universums allra första mikrosekunder.

Teorin om galaxbildning skulle också kräva revidering. En extra population av täta, kompakta objekt förändrar det sätt på vilket materia ackumuleras, hur haloer av mörk materia växer, och hur de första stjärnorna bildas. För partikelfysiker är det dessutom en viktig signal om att jakten på exotiska partiklar kanske har ett smalare spelrum, om svarta hål spelar en långt större roll än tidigare antagit.

Hur kan en icke-forskare föreställa sig det?

För folk utanför den vetenskapliga miljön låter begrepp som ”kvantkromodynamikens era” som ren abstraktion. En enkel bild hjälper: föreställ dig en gryta med kokande soppa, där bubblor konstant stiger upp och faller ner. I det mycket tidiga universum var sådana ”bubblor” förtätningar av materia. De flesta av dem spred sig allteftersom universum expanderade — men några var så täta att de kollapsade om sig själva och bildade svarta hål.

Under de följande miljarderna år skulle sådana objekt kretsa nästan osynligt mellan och inuti galaxer och då och då kollidera med varandra. Det är just i sådana sällsynta kollisioner som de utsänder gravitationsvågor som jordens detektorer i dag kan uppfånga. Varje sådan signal fungerar alltså som ett vykort skickat från universums allra första ögonblick.