En ovanlig gravitationsvågssignal chockerar fysiker världen över
Forskare står handfallna inför ett bisarrt gravitationsvågssignal som utmanar allt vi vet om stjärnbildning. Mätdata pekar mot ett kosmiskt objekt så lätt att det totalt spricker varje etablerad modell vi känner till.
Experter från LIGO–Virgo–Kagra-projektet har granskat en kollision mellan två kompakta kroppar, katalogiserad som S251112cm. När beräkningarna av massorna gjordes stod det klart att ena objektet väger mindre än vår sol. Konventionell astrofysik säger att ett sådant svart hål omöjligt kan bildas. Det är just därför vissa nu menar att vi kanske bevittnar det allra första beviset för ett så kallat primordial svart hål – skapat i universums allra tidigaste ögonblick efter Big Bang.
Gravitationsvågor medför en kosmisk gåta
Upptäckten började som vad som verkade vara en ordinär gravitationsvågsdetektering från nätverket bestående av LIGO, Virgo och Japans Kagra. Dessa enorma interferometrar registrerar mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar när gravitationsvågor passerar genom vår planet.
Vanligtvis härrör sådana signaler från kollisioner mellan svarta hål med tio eller trettio solmassor. Men när forskarna dissekerade händelsen S251112cm stötte de på något fullkomligt extraordinärt: den ena kolliderande kroppen har en massa någonstans mellan ungefär en tiondel och strax under en solmassa.
Ett svart hål med så minimal massa passar helt enkelt inte in i någon process vi känner från stjärnors livscykel. Detta är en kraftfull indikation på att vi har att göra med en fundamentalt annorlunda bildningsmekanism.
Teamet undersökte genast mer konventionella förklaringsmodeller. Om signalen kom från neutonstjärnor eller vita dvärgar som kolliderade borde det också ha synts ljus – gammastrålar, röntgenstrålning eller åtminstone optiska blixtar. Men sökandet efter elektromagnetisk strålning gav absolut noll resultat. Det lämnar bara en betydligt mer exotisk tolkning på bordet.
Ett svart hål på storleken av en stad
Objekt med massa nära solens som vi hittar i astronomiska kataloger är oftast extremt täta neutrostjärnor. Typiska svarta hål som bildas när massiva stjärnor kollapsar är mycket tyngre – enligt rådande modeller måste de väga minst runt tre solmassor.
För en kropp med cirka 0,87 solmassor ger kalkylerna dimensioner jämförbara med en medelstor stad. Diametern på en sådan rumtidsfälla skulle vara ungefär 5 kilometer – en sträcka man lugnt joggar på en halvtimme. Och vi pratar alltså om att pressa nästan hela solens massa in i den skalan.
Att skapa något så extremt kräver förhållanden som inga kända processer i stjärnor kan leverera. Astrofysiker framhåller att klassisk stjärnutvecklingsfysik inte tillåter bildning av svarta hål med så låg massa genom vanlig stjärnkärnkollaps.
Ett spår från de första mikrosekunderna efter Big Bang
Därför riktar författarna bakom den nya analysen, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, blicken långt tillbaka i tiden – till en epok då universum var yngre än en miljondels sekund. Under den perioden beter sig materia helt annorlunda än idag: den så kallade kvark-gluon-plasman dominerar, och tätheter samt temperaturer är ofattbara.
Redan på 1970-talet förutspådde teoretiska fysiker, bland dem Stephen Hawking, att lokala täthetsvariationer i en sådan miljö kunde kollapsa under sin egen tyngd och därmed skapa en hel population av miniatyriserade svarta hål. Dessa fick beteckningen primordial svarta hål.
Forskargruppen antyder att det analyserade objektet just kan ha uppstått i den era som är kopplad till kvantkromodynamikens fysik, bara några få mikrosekunder efter Big Bang.
Om detta scenario stämmer skulle signalen S251112cm vara den första konkreta indikationen på att sådana objekt faktiskt har överlevt fram till nutid. Det skulle innebära att universum redan i sina allra första ögonblick började producera svarta hål i mängder man hittills bara diskuterat i ekvationer.
Är mörk materia ett hav av miniatyrsvarta hål?
Pusslet blir ännu mer fascinerande när forskarna kopplar denna kandidat för ett primordialt svart hål till problemet med så kallad mörk materia. Det har i årtionden varit känt att synlig materia – stjärnor, gas och damm – bara utgör en bråkdel av universums totala massa. Cirka 85 procent består av en osynlig komponent som bara röjer sig genom gravitationen.
Många grupper har hittills sökt efter partiklar som skulle kunna förklara detta saknade material, exempelvis WIMPs registrerade i underjordiska detektorer. Dessa sökningar har ännu inte gett något entydigt genombrott, vilket har banat väg för alternativa idéer.
Om primordial svarta hål existerar i tillräckligt stort antal och inom rätt massintervall kan de utgöra en betydande del – kanske till och med hela – av den mörka materian.
Den nya analysen antyder att det upptäckta objektet passar in i ett sådant scenario. Massaturen överensstämmer med förutsägelserna från vissa modeller för populationer av primordial svarta hål. I denna vision är mörk materia inte exotiska partiklar vi inte kan spåra, utan otaliga svarta hål spridda över hela kosmos sedan de allra tidigaste epokerna.
En lovande men ännu inte avgörande signal
Trots entusiasmen dämpar vissa forskare förväntningarna. Uppskattningarna säger att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent – men tolkningen kräver fortfarande försiktighet. Det finns fortfarande mer komplexa scenarion kopplade till system med flera objekt i täta stjärnhopar, som kan generera ovanliga signaler.
Därför betecknar teamet tillsvidare objektet som en ”kandidat” för att vara ett primordialt svart hål. För att röra sig från antydan till fast slutsats behöver fysikerna flera liknande händelser. Den pågående observationskampanjen med LVK-nätverket är avgörande här: detektorerna uppnår allt högre känslighet, och chansen för nya registreringar växer för varje år.
En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar skulle kunna förvandla en spännande hypotes till ett nytt kapitel i kosmologin.
Om flera oberoende händelser bekräftar existensen av en hel klass av sub-solmassa svarta hål kommer fysiker att behöva skriva om kapitlen i läroböckerna om Big Bang, tidig kosmologi och mörk materias natur.
Hur fungerar en gravitationsvågsdetektor?
För att bättre förstå betydelsen av den aktuella signalen är det värt att veta vad LIGO och Virgo egentligen mäter. Det är anläggningar där en laserstråle löper i två vinkelräta armar och reflekteras av speglar som är separerade med flera kilometers avstånd. När en gravitationsvåg passerar detektorn komprimerar den minimalt den ena axeln och förlänger den andra.
Förändringen i armarnas längd är mindre än en bråkdel av en protons diameter, men avancerad interferometri-teknik gör det möjligt att fånga den. Från formen på det registrerade gravitationsvågs-”kvittret” kan forskarna avläsa massor, avstånd och typen av de kolliderande objekten.
- Signalens varaktighet ger information om massorna hos parets komponenter
- Amplituden återspeglar källans avstånd
- Slutfrekvensen ger möjlighet att uppskatta det bildade objektets massa
- Frånvaron av ljussignaler hjälper till att utesluta neutronstjärnor
I fallet med 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 stort intresse.
Vad skulle en bekräftelse av primordial svarta hål förändra?
Om ytterligare observationer stöder Cappellutis och Magaraggias tolkning väntar oss en rad konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett verktyg för att undersöka ultratidiga epoker, långt tidigare än den period från vilken bakgrundsstrålningen härstammar. Primordial svarta hål skulle fungera som sonder som minns de förhållanden som rådde i de första mikrosekunderna av kosmos existens.
Teorin om galaxbildning skulle också kräva revidering. En ytterligare population av täta, kompakta objekt förändrar sättet materia samlas på, hur haloer av mörk materia växer, och hur de första stjärnorna formas. För partikelfysiker är det också en viktig signal om att jakten på exotiska partiklar kanske har mindre att komma efter, om svarta hål spelar lejonparten av rollen.
Hur kan en icke-specialist föreställa sig det?
För människor utanför den vetenskapliga miljön låter begrepp som ”kvantkromodynamikens era” som ren abstraktion. En enkel bild hjälper: föreställ dig en kastrull med kokande soppa, där bubblor ständigt stiger upp och faller ner. I det mycket tidiga kosmos var sådana ”bubblor” förtätningar av materia. De flesta av dem spreds när universum expanderade – men några var så täta att de kollapsade under sig själva och bildade svarta hål.
Under de följande miljarderna år skulle sådana objekt kretsa nästan osynligt mellan och inom galaxer och då och då kollidera med varandra. Det är just i dessa sällsynta kollisioner som de genererar gravitationsvågor som jordbaserade detektorer fångar idag. Varje sådan signal fungerar alltså som ett vykort skickat från universums allra första ögonblick.
