Har fysiker hittat det första uråldriga mini-svarta hålet?

En signal som inte passar in i någon känd kategori

Forskare anslutna till gravitationsvågdetektorerna LIGO, Virgo och Kagra har registrerat en ovanlig ”skakning” i själva rumtiden. Analysen pekar på att ett objekt lättare än solen var inblandat i en kosmisk kollision — alldeles för litet för att passa in på någon känd typ av svart hål. Spekulationerna växer: kan detta vara det första spåret av ett så kallat primordialt svart hål, format under kosmos allra första ögonblick?

Signatur S251112cm: händelsen som vägrar låta sig förklaras

Det hela började med registreringen av en händelse katalogiserad som S251112cm. Det är ytterligare en post i listan över gravitationsvågor — skrynklor i rumtiden som uppstår vid sammanstötningar mellan extremt massiva objekt, typiskt svarta hål eller neutronstjärnor.

För teamet bakom LVK-nätverket (LIGO–Virgo–Kagra) är sådana händelser nästan vardag. Men den här gången var något uppenbart fel. Ett av de två objekten som krockade hade en massa på endast mellan 0,1 och 0,87 solmassor.

Datat visar med en sannolikhet på över 99 procent att minst ett av objekten vägde mindre än solen — och det scenariot passar inte alls in i standardmodellerna för stjärnors utveckling.

Forskarna gick igenom de uppenbara förklaringarna. En neutronstjärna? En vit dvärg? Dessa objekt kan visserligen vara lättare än solen. Problemet är att kollisioner med den sortens kroppar normalt åtföljs av elektromagnetiska utbrott: gammablixtar, långvariga efterglöd i synligt ljus eller röntgenstrålning.

Den här gången såg teleskopen ingenting. Det registrerades uteslutande gravitationsvågor — precis som vid en klassisk kollision mellan två svarta hål.

Varför en vanlig stjärna inte kan skapa ett så litet svart hål

För att ett typiskt svart hål ska uppstå måste en massiv stjärna avsluta sitt liv i en spektakulär katastrof. Kärnan kollapsar under sin egen tyngd medan de yttre skikten kastas ut i en supernova. Fysiken bakom sådana sammanbrott sätter emellertid en nedre gräns för hur lätt ett svart hål kan vara.

• Teoretisk nedre massagräns för stjärnformade svarta hål: cirka 3 solmassor.
• Typiskt massintervall för stellara svarta hål: från några få till flera tusen solmassor.
• Händelsen S251112cm: ett objekt med en massa under 1 solmassa.

De nuvarande modellerna för stjärnors evolution är tydliga: en vanlig stjärna kan inte bilda ett svart hål så litet som det gravitationsvågsanalysen antyder. Om signalen verkligen härstammar från ett miniatyrsvart hål måste det ha uppstått genom en helt annan process.

Urtida svarta hål: Stephen Hawkings exotiska idé

Här kliver de så kallade primordala svarta hålen in på scenen — en teoretisk möjlighet som diskuterats i årtionden, bland andra av Stephen Hawking. Till skillnad från klassiska svarta hål uppstod de inte från stjärnor. Deras ursprung går tillbaka till bråkdelar av en sekund efter Big Bang.

Det ultraspenga universum präglades av extrema förhållanden: ofattbara temperaturer, enorma tätheter och våldsamma fluktuationer i materiets fördelning. I vissa regioner kunde materia ha hopat sig så tätt att en lokal gravitationsfälla kollapsade utan någon stjärna som mellanled — och direkt bildade ett svart hål.

Det scenariot som forskarna föreslår innebär att objektet formades under den fas som är förknippad med kvantkromodynamik, bara några mikrosekunder efter kosmos begynnelse — en epok då inte ens de första stjärnorna ännu existerade.

Om tolkningen är korrekt kan LVK för första gången ha registrerat en signal från en kollision som involverade just ett sådant urtida svart hål. Det visar att gravitationsvågor håller på att bli ett verktyg som inte bara belyser exotiska stjärnor utan också universums allra äldsta ögonblick.

Ett mini-svart hål på storleken av en stad

Vad betyder det egentligen att ha ett svart hål med en massa på 0,87 solmassor? Siffran verkar inte dramatiskt liten — tills man ser på storleken. Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt med en diameter på endast omkring 5 kilometer.

Det motsvarar något med en massa jämförbar med solens, pressat ner i ett område på storleken av en medelstor stad. Så extrema täthetsbetingelser tycks bara möjliga under den tidiga perioden omedelbart efter Big Bang, då materien genomgick våldsamma fasövergångar.

Mörk materia: är den mystiska massan en svärm av mini-hål?

Om tolkningen av S251112cm som ett spår av ett primordialt svart hål håller sträcker sig konsekvenserna långt utöver att bara klassificera ett exotiskt objekt. Frågan om mörk materias natur står nämligen på spel.

Astronomer har i åratal vetat att synlig materia — stjärnor, gas, damm — bara utgör en liten del av det kosmiska pusslet. Galaxers och galaxhopars beteende samt stora kosmiska strukturer påverkas av en extra massa som är osynlig i alla våglängder. Den har kallats mörk materia.

I årtionden har man sökt efter hypotetiska nya partiklar — från de välkända WIMP-arna till exotiska lätta bosoner. Experiment efter experiment i underjordiska partikeldetektor slutade dock i tystnad. I det ljuset har minisvarta hål börjat framstå som ett allt mer seriöst alternativ.

Analysen antyder att med rätt antal och rätt massfördelning skulle primordala svarta hål kunna förklara en betydande del — och potentiellt hela — mörk materia, utan att man behöver introducera helt nya elementarpartiklar.

I detta scenario skulle universum vara fyllt med otaliga bittesmå svarta hål, diskret spridda i galaxernas halo och i det intergalaktiska rummet. I vardagen skulle de vara praktiskt taget osynliga, men deras samlade gravitationspåverkan skulle förklara det galaxbeteende astronomer har observerat.

Forskarna bromsar entusiasmen: tillsvidare bara en stark kandidat

Trots den tydliga entusiasmen i forskningsmiljön håller sig forskarna tillbaka. Den analys som publicerats på arXiv och skickats in till en ansedd facktidskrift är fortfarande under peer review-processen. Forskarna talar explicit om en ”kandidat” till ett primordialt svart hål.

Det är fortfarande nödvändigt att undersöka om signalen kan förklaras på annat sätt — till exempel som resultatet av komplexa växelverkningar i extremt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda multipla system där en serie kollisioner och infångningar genererar komplicerade gravitationsvågor.

Tillsvidare ser tolkningen om det primordala svarta hålet ut att vara den enklaste och den som bäst stämmer överens med datat. Men fysikerna saknar fortfarande ett avgörande element: en upprepning.

Om detektorerna i den pågående observationskampanjen registrerar ytterligare en liknande signal med ett objekt under solens massa kommer hypotesen om primordala svarta hål att få en helt annan tyngd — och förflytta sig från teoretisk kuriositet till en ny kategori av verkliga kosmiska objekt.

Så här fungerar rumtids-”lyssnarna” LIGO, Virgo och Kagra

Gravitationsvågor är mikroskopiska skrynklor i själva rumtidens struktur. För att registrera dem har forskare byggt gigantiska interferometrar — apparater som mäter minimala avstånd­sändringar mellan speglar placerade i tunnlar på flera kilometers längd.

LIGO i USA, Virgo i Italien och Kagra i Japan utgör idag ett globalt nätverk av ”öron” som lyssnar efter avlägsna kosmiska katastrofer. När en gravitationsvåg passerar genom jorden förkortar den en av interferometerns armar medan den förlänger den andra. Ändringen är mindre än en protons diameter, men den känsliga utrustningen lyckas avläsa den.

• LIGO – två detektorer i USA som som första registrerade gravitationsvågor 2015.
• Virgo – den europeiska interferometern som ökar precisionen vid lokalisering av källor på himlen.
• Kagra – den japanska detektorn som är nedkyld till mycket låga temperaturer och byggd i en tunnel under ett berg.

Tack vare samarbetet mellan dessa tre instrument kan forskare inte bara mäta vågornas form utan också rekonstruera parametrar för de objekt som skapade dem: massa, avstånd och till och med rotation. Just denna metod avslöjade att händelsen S251112cm involverade ett objekt med en massa under solens.

Vad är egentligen en gravitationsvåg?

I stora drag kan den jämföras med en våg på vatten — men den breder ut sig inte genom vatten, den breder ut sig genom själva rummets struktur. När enorma massor som svarta hål kretsar kring varandra och kolliderar ”rör de om” i rumtiden med sådan kraft att verkningen av denna storm når fram miljarder ljusår bort.

LIGO och de övriga detektorerna registrerar inte en bild av objektet utan en precis registrering av hur interferometerns armlängder förändras. Utifrån denna kurva anpassar datorn den bästa kollisionsmodellen och härleder information om de inblandade objektens massor och typer.

Vad händer nu: jakten på fler mini-hål och konsekvenserna för fysiken

Om tolkningen om det primordala svarta hålet överlever kritiken kan man under kommande år förvänta sig en offensiv av nya undersökningar. Astronomer kommer att genomsöka dataarkiv från tidigare LVK-kampanjer för att hitta andra, förbisedda signaler från objekt under solens massa.

Parallellt kommer teoretiker justera modellerna för bildandet av primordala svarta hål i förhållande till de nya begränsningarna: hur ofta de kan ha uppstått, vilken typisk massa de har och om deras population verkligen kan förklara mörk materia. Det innebär en revidering av scenarierna för det unga universums utveckling, inkluderat mycket tidiga faser av materiaomvandling.

För lekmän låter ämnet abstrakt, men det har överraskande konkreta konsekvenser. Om mörk materia visar sig bara vara ett moln av minisvarta hål skulle det förändra sättet framtida rymd­missioner planeras på, ändra förutsägelserna för signaler i neutrinodetektorer och påverka designen av experiment med elementarpartiklar. Vissa planerade, kostsamma anläggningar skulle kunna förlora sitt syfte medan nya idéer med större fokus på gravitationsvågsastronomi skulle vinna mark.

Det är värt att precisera ett par begrepp för dem som följer ämnet. Mörk materia ”suger” inte energi från stjärnor och utgör inte något direkt hot mot jorden — dess påverkan är i praktiken uteslutande gravitationell. Om den består av minisvarta hål är deras täthet i vår närhet så låg att chansen för ett nära möte med ett av dem är försvinnande liten sett över hela mänsklighetens historia.

Långt mer intressanta är de långsiktiga kunskapsmässiga vinsterna. Varje ny registrerad signal med så små svarta hål ger möjlighet att testa gravitationsteorier under extrema förhållanden. Det kan i sin tur peka på var man ska söka efter ny fysik som räcker utöver den allmänna relativitetsteorin och standardmodellen för partiklar. I praktiken är det just från den sortens till synes hermetiska undersökningar som teknologier ofta uppstår som årtionden senare hittar väg till vardagen — från satellitnavigering till avancerade metoder inom medicinsk bilddiagnostik.