Forskare vid detektorerna LIGO, Virgo och Kagra har registrerat en ovanlig skakning i rumtiden. Analysen tyder på att ett objekt lättare än solen deltog i en kosmisk kollision – alldeles för litet för att vara en känd typ av svart hål.
Historien börjar med en sensation som utmanar allt vi vet om hur svarta hål bildas. När konventionella teorier om stjärnutveckling inte kan förklara observationerna står forskarna kvar med en fascinerande möjlighet: kanske har de fångat det första spåret av ett primordialt svart hål, bildat i universums allra första ögonblick.
Teorin om dessa urgamla objekt går tillbaka till Stephen Hawking och andra teoretiker, men hittills har de existerat främst på pappret. Den senaste upptäckten från gravitationsvågs-observatorierna kan förändra allt. Om tolkningen håller står vi inför en revolution inom både astrofysik och förståelsen av mörk materia.
Vad gör signalen S251112cm så ovanlig
Det hela börjar med händelsen märkt S251112cm. Detta är ännu en i katalogen av gravitationsvågor – rynkor i rumtiden skapade vid kollisioner mellan extremt massiva objekt, oftast svarta hål eller neutronstjärnor.
För LVK-nätverkets team (LIGO-Virgo-Kagra) är sådana registreringar nästan vardag. Men den här gången stämde något tydligt inte. Ett av de två objekten som kolliderade hade en massa i intervallet från endast 0,1 till 0,87 solmassor.
Uppgifterna visar med en sannolikhet på över 99 procent att åtminstone ett av objekten hade en massa under solens – och det scenariot passar inte in i standardmodellerna för stjärnutveckling. Forskarna övervägde de uppenbara förklaringarna. En neutronstjärna? En vit dvärg? Dessa objekt kan faktiskt vara lättare än solen.
Problemet är att vid deras kollisioner registrerar detektorerna normalt också åtföljande elektromagnetisk strålning: gammablixtar, långvariga efterglöd i synligt ljus eller röntgenstrålning. Den här gången såg teleskopen ingenting. Det registrerades endast gravitationsvågor – precis som vid en klassisk kollision mellan två svarta hål.
Varför kan en vanlig stjärna inte bilda 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. Problemet är att fysiken bakom sådana kollapser sätter en nedre gräns för massan hos ett svart hål.
Den teoretiska nedre gränsen för massan hos ett svart hål från en stjärna ligger omkring tre solmassor. Det typiska massområdet för stellära svarta hål sträcker sig från några få till flera dussin solmassor. Händelsen S251112cm involverade däremot ett objekt med massa under en solmassa.
Nuvarande modeller för stjärnutveckling säger tydligt att en vanlig stjärna inte kan skapa ett svart hål så litet som det som antyds av gravitationsvågs-analysen. Om signalen verkligen stammade från ett miniatyrsvart hål måste det ha fötts i en helt annan process.
Det är här de så kallade primordiala svarta hålen kommer in i bilden. Dessa teoretiska objekt föreslogs första gången för decennier sedan av bland andra Stephen Hawking. Till skillnad från klassiska svarta hål uppstår de inte från stjärnor. Deras ursprung går helt tillbaka till bråkdelar av sekunder efter Big Bang.
Hur kunde mini-svarta hål bildas strax efter Big Bang
I det ultraunga universum rådde extrema förhållanden: ofattbara temperaturer, densiteter och våldsamma fluktuationer i materiets fördelning. I vissa områden kunde materien ha samlats så tätt att en lokal gravitationell buckla kollapsade utan en stjärnas inblandning och bildade ett svart hål direkt.
Det scenario som forskarna föreslår innebär bildning av objektet i en fas förknippad med kvantkromodynamik, endast några mikrosekunder efter universums början – alltså i en epok då vanliga stjärnor inte ens existerade ännu. Om tolkningen är korrekt kan LVK för första gången ha registrerat en signal från kollisionen av just ett sådant urgammalt svart hål med ett annat objekt.
Det visar att gravitationsvågor blir ett verktyg inte bara för att studera exotiska stjärnor utan också universums allra första ögonblick. Vad betyder egentligen ett svart hål med en massa på 0,87 solmassor? Siffran låter kanske inte dramatiskt liten förrän vi ser på dess storlek.
Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt – dess diameter skulle vara omkring fem kilometer. Det motsvarar något med en massa jämförbar med solen, pressat ihop i ett område ungefär på storleken av en medelstor stad. Så extrema densitetsförhållanden förefaller endast möjliga i tiden strax efter Big Bang, då materien genomgick våldsamma fasövergångar.
Kan mörk materia vara ett moln av mini-svarta hål
Om tolkningen av signalen S251112cm som spår av ett primordialt svart hål håller sträcker sig konsekvenserna långt utöver bara klassificeringen av ett exotiskt objekt. Frågan om mörk materias natur kommer i spel.
Astronomer har i åratal vetat att synlig materia – stjärnor, gas, damm – endast utgör en liten del av det kosmiska pusslet. Galaxers, galaxhoparnas och stora kosmiska strukturers beteende påverkas av ytterligare massa som inte kan ses i något strålningsspektrum. Den kallades mörk materia.
I decennier har man sökt efter hypotetiska nya partiklar – från de berömda WIMP till exotiska lätta bosoner. Upprepade experiment i underjordiska partikeldetektorer har dock slutat i tystnad. I detta sammanhang har mini-svarta hål börjat låta allt mer övertygande som ett alternativ.
- Primordiala svarta hål kunde förklara betydande mängder mörk materia utan nya elementarpartiklar
- Kosmos skulle vara fyllt med små svarta hål spridda diskret i galaxernas haloer
- Deras samlade gravitationella inflytande kunde förklara galaxernas observerade beteende
- De skulle vara praktiskt taget osynliga till vardags men lämna gravitationella fingeravtryck
- Scenariot kräver ingen exotisk partikelfysik utöver allmän relativitetsteori
- Detektion av gravitationsvågor blir nyckeln till att testa denna hypotes
- Varje ny observation ger data om massfördelning och frekvens
- Alternativet till årtionden av förgäves sökande efter mörka materiepartiklar
Analysen antyder att vid rätt antal och massfördelning kunde primordiala svarta hål förklara en betydande del, och potentiellt hela den mörka materian, utan att introducera helt nya elementarpartiklar. I detta scenario skulle kosmos vara fullt av bittesmå svarta hål, diskret spridda i galaxernas haloer och det intergalaktiska rummet.
Forskare bromsar entusiasmen med nödvändig försiktighet
Trots tydlig uppståndelse i miljön bevarar forskarna avstånd. Analysen publicerad på arXiv-servern och inlämnad till en prestigefylld tidskrift genomgår först nu peer review-processen. Forskarna talar direkt om en kandidat till ett primordialt svart hål.
Det är fortfarande nödvändigt att kontrollera om signalen kan förklaras på annat sätt, exempelvis som effekt av komplexa interaktioner i ovanligt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda multipla system där det sker serier av kollisioner och infångningar som genererar komplicerade gravitationsvågor.
Tillsvidare pekar allt på att tolkningen med ett primordialt svart hål är den enklaste och bäst i överensstämmelse med uppgifterna, men fysikerna saknar ännu ett avgörande element: en upprepning. Om LVK-detektorerna under den pågående kampanjen registrerar ytterligare en liknande signal med ett objekt under solmassan får hypotesen om primordiala svarta hål en helt annan tyngd.
Det skulle skifta från teoretisk kuriositet till en ny kategori av verkliga kosmiska objekt. Gravitationsvågs-astronomi skulle då öppna ett fönster till universums allra första mikrosekunder, en era otillgänglig för andra observationsmetoder.
Så här fungerar LIGO, Virgo och Kagra som rumtidens öron
Gravitationsvågor är mikroskopiska rynkor i själva rumtidens struktur. För att registrera dem har forskarna byggt gigantiska interferometrar – apparater som mäter minimala förändringar i avståndet mellan speglar placerade i flera kilometer långa tunnlar.
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 ganska lätt den ena armen av interferometern och förlänger den andra. Förändringen är mindre än en protons diameter men känslig utrustning kan avläsa den.
LIGO omfattar två detektorer i USA som första gången registrerade gravitationsvågor 2015. Virgo är den europeiska interferometern som ökar precisionen av källokaliseringen på himlen. Kagra är den japanska detektorn, avkyld till mycket låga temperaturer och byggd i en tunnel under ett berg.
Tack vare samarbetet mellan dessa tre instrument kan forskarna inte bara mäta vågornas form utan också rekonstruera parametrarna för de objekt som skapade dem: massa, avstånd och till och med rotation. Just denna metod möjliggjorde att fastställa att händelsen S251112cm involverade ett objekt under solmassan.
Vad väntar oss nu i jakten på fler mini-hål
Om tolkningen av det primordiala svarta hålet håller stånd mot kritik kan man under de kommande åren förvänta sig en offensiv av nya undersökningar. Astronomer kommer att genomsöka dataarkiven från tidigare LVK-kampanjer för att hitta andra, förbisedda signaler med objekt under solmassan.
Parallellt kommer teoretiker att börja anpassa modeller för bildningen av primordiala svarta hål till nya begränsningar: hur ofta kunde de bildas, vilken typisk massa antar de, och kan deras population verkligen förklara mörk materia. Det innebär korrigering av scenarier för det unga universums utveckling, inklusive faser förknippade med mycket tidiga materieövergångar.
För lekmän låter hela ämnet abstrakt men det har överraskande konkreta konsekvenser. Om mörk materia visade sig helt enkelt vara ett moln av mini-svarta hål skulle det förändra sättet framtida rymduppdrag planeras på, hur signaler i neutrinodetektorer förutsägs och hur experiment med elementarpartiklar utformas.
För dem som följer ämnet är det värt att precisera några begrepp. Mörk materia suger inte energi från stjärnor och utgör inget direkt hot mot jorden – dess interaktion begränsar sig praktiskt taget uteslutande till gravitation. Om det skapas av mini-svarta hål förblir deras densitet i vår närhet så liten att chansen för ett nära möte med ett av dem är försvinnande under hela mänsklighetens historia. Mon vi snart får fler svar på detta fascinerande kosmiska mysterium?
