En oväntad kosmisk skakning utmanar astrofysiken
En förvånande vibration i universum har försatt forskarvärlden i alarmberedskap – och den kan visa sig vara den kosmiska pusselbit som vetenskapen sökt i årtionden.
Forskare har registrerat en anmärkningsvärd signal i gravitationsvågor som inte stämmer överens med kända stjärnor eller svarta hål. Allt fler tecken pekar mot ett teoretiskt objekt från universums allra tidigaste tid: ett så kallat primordialt svart hål. Om det stämmer närmar sig gåtan om mörk materia plötsligt betydligt närmare en lösning.
Signal S251112cm: ett litet objekt med stora frågetecken
Historien börjar med en gravitationsvåg som fick beteckningen S251112cm. Signalen fångades upp av det internationella LVK-nätverket, bestående av LIGO-detektorerna i USA, Virgo i Italien och KAGRA i Japan. Normalt registrerar detta nätverk skakningarna från sammansmältande tunga svarta hål eller kolliderande neutronstjärnor.
Med S251112cm gick räkningen helt enkelt inte ihop. Analysen visade att ett av de två sammansmältande objekten hade en massa på mellan ungefär tio och åttio procent av solens massa. Detta är anmärkningsvärt av flera anledningar:
- kända svarta hål, bildade från kollapsade stjärnor, är minst tre gånger så tunga som solen;
- lättare, kompakta stjärnor som neutronstjärnor sänder vanligtvis ut ljus eller gammastrålning – vilket här var frånvarande;
- signalen passade väl med en kompakt, extremt tät källa.
Eftersom ingen ljusblixt, explosion eller annan form av elektromagnetisk strålning dök upp någonstans, har forskarna i stor utsträckning uteslutit möjligheter som en neutronstjärna eller vit dvärg. Kvar sitter vi med ett objekt som beter sig som ett svart hål, men är alldeles för lätt för att ha uppstått genom en normal stjärnas livscykel.
Ett svart hål lättare än solen passar inte in i de existerande modellerna för stjärnbildning och tvingar kosmologer att se på de allra första ögonblicken efter Big Bang.
Vad är egentligen primordial svarta hål?
Primordial svarta hål är teoretiska svarta hål som inte uppstår från stjärnor, utan direkt från extrema täthetsfluktuationer i det nyfödda universum. Idén går bland annat tillbaka till Stephen Hawking, som redan på 1970-talet beräknade att lokal kompression av materia i de första bråkdelarna av ett sekund efter Big Bang kunde forma sådana objekt.
I den ultratidiga fasen var universum extremt tätt, hett och kaotiskt. Enligt forskarna bakom den nya undersökningen, däribland Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, kan det här röra sig om ett svart hål bildat under den så kallade QCD-fasen – en period några mikrosekunder efter universums födelse. I denna fas svalnade plasmat av kvarkar och gluoner till de protoner och neutroner som vanlig materia är uppbyggd av.
Ett svart hål på storleken av en stad
Ett svart hål med 0,87 gånger solens massa låter kanske inte särskilt litet, men dimensionerna är bedövande kompakta. Den uppskattade diametern är bara omkring 5 kilometer – ungefär som tvärmåttet av en medelstor stad.
Den enorma mängden massa i en så mikroskopisk sfär kan inte pressas samman via kända naturlagar vid en vanlig stjärnkollaps. Det kräver förhållandena från universums späda begynnelse, där tätheter och temperaturer övergick all fantasi.
Existerar ett ”stad-svart-hål” verkligen, pekar det nästan automatiskt på ett ursprung i de första mikrosekunderna efter Big Bang.
Kopplingen till gåtan om mörk materia
Mörk materia utgör ett av kosmologins mest envisaste mysterier. Observationer av galaxer, galaxhopar och den kosmiska bakgrundsstrålningen visar att det finns långt mer massa närvarande än de synliga stjärnorna och gasmolnen kan förklara. Hela 85 procent av all materia i universum är osynlig och reagerar knappt alls med ljus.
I åratal har fysiker sökt efter exotiska partiklar som WIMPs (svagt växelverkande massiva partiklar), men experiment i underjordiska detektorer och partikelacceleratorer har hittills inte levererat något övertygande. Primordial svarta hål erbjuder en alternativ bild.
Den nya undersökningen visar att om objekt som det svarta hålet bakom S251112cm verkligen är primordial och förekommer i stort antal, kan de utgöra en betydande andel av den mörka materien. I ett extremt scenario kunde praktiskt taget all mörk materia bestå av sådana mini-svarta-hål, spridda genom och omkring galaxer som vår egen Vintergatan.
| Scenario | Förklaring på mörk materia |
|---|---|
| Partikelmodell | Nya, ännu okända elementarpartiklar (t.ex. WIMPs) |
| Primordial svarta hål | Urgamla mini-svarta-hål från universums första ögonblick |
| Hybridmodell | Kombination av exotiska partiklar och en andel primordial svarta hål |
Varje scenario har sina begränsningar. För många primordial svarta hål skulle till exempel märkbart störa fördelningen av stjärnor i galaxer eller framkalla specifika gravitationslinseffekter. Den observerade strukturen av universum sätter därför strikta gränser för hur många sådana objekt som får existera. Författarna visar dock att det inom dessa gränser fortfarande kan gömma sig en förvånansvärt stor andel mörk materia i form av primordial svarta hål.
Varför champagnen inte kan öppnas ännu
Oavsett hur lockande bilden ser ut, håller forskarna själva tillbaka. I publikationen beskrivs S251112cm som en stark kandidat – inte ett definitivt bevisat primordialt svart hål. Sannolikheten för att ett av objekten är lättare än solen ligger statistiskt över 99 procent, men alternativa scenarion ska fortfarande uteslutas grundligt.
Forskarna undersöker bland annat om komplexa växelverkningar i täta stjärnhopar kan spela en roll. Det är tänkbart att objekt i sådana extrema miljöer kan producera signaler som liknar ett lätt svart hål, utan att de verkligen är primordial. Likaså genomgår man systematiska osäkerheter i mätningarna och de använda modellerna.
Först när flera oberoende signaler från sub-solmassa-svarta-hål dyker upp, kommer kosmologer på allvar våga tala om en ny era inom gravitationsastronomi.
Väntar på nästa observationsrunda
LVK-nätverket kör för närvarande en ny serie observationer. Detektorerna har de senaste åren blivit betydligt mer känsliga, vilket gör det möjligt att fånga upp mindre och mer avlägsna kollisioner. En annan jämförbar signal skulle i väsentlig grad stärka argumentet för primordial svarta hål.
Om det under de kommande åren dyker upp fler händelser med sådana lätta svarta hål, blir bilden obestridligt. Då ska delar av den kosmiska historieskrivningen skrivas om – med en framträdande roll för dessa urgamla, kompakta objekt.
Vad är egentligen gravitationsvågor?
Gravitationsvågor är skrynklor i rumtiden, förutsagda av Albert Einstein i hans allmänna relativitetsteori. De uppstår när enorma massor accelererar, till exempel när två svarta hål smälter samman. År 2015 mättes de direkt för första gången av LIGO, och sedan dess har gravitationsastronomi vuxit till ett snabbt expanderande forskningsfält.
I stället för ljus registrerar detektorerna mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar – variationer mindre än en protons diameter. Genom att kombinera signaler från flera detektorer kan forskarna rekonstruera källans egenskaper: massa, rotation och i viss utsträckning även avstånd.
För allmänheten betyder detta att vi inte längre bara ser på universum, utan också kan lyssna till det. Det ger tillgång till information om objekt som sänder ut nästan inget ljus, som sammansmältande svarta hål.
Nya möjligheter och nya frågor
Om primordial svarta hål verkligen existerar, öppnar det för märkliga, men fascinerande perspektiv. I teorin skulle vår egen Vintergata kunna hysa miljoner av dem, vandrande genom haloens yttre regioner runt om den synliga galaxskivan. De är så små och mörka att inget teleskop direkt kan observera dem – men deras tyngdkraft påverkar ändå rörelsen hos stjärnor och gas.
För rymdfart eller livet på jorden utgör detta inget direkt hot: sannolikheten för att ett sådant mini-svart-hål närmar sig jorden är astronomiskt liten. Däremot ger sådana objekt insikt i förhållanden som aldrig kommer att upprepas – de allra första bråkdelarna av ett sekund av allt vi känner till.
För studerande, amatörastronomer och vetenskapsintresserade bjuder denna typ av forskning på ett rikt lekfält. Grundbegrepp som massa, täthet och tyngdkraft får en helt konkret dimension när man tänker över att ett objekt med solens massa kan pressas samman till något på storleken av en stad. Simuleringar och populärvetenskapliga föredrag gör området alltmer tillgängligt – även utan matematisk bakgrund.
Under de kommande åren kommer gravitationsdetektorer att förbättras ytterligare, och det finns planer på ännu kraftfullare observatorier som Einstein Telescope och rymdfärdsuppdraget LISA. Dessa nya instrument kan mäta lättare och äldre källor och kommer kanske att leverera det avgörande beviset: är primordial svarta hål en verklig beståndsdel av universum, eller förblir mörk materia primärt en fråga om ännu oupptäckta partiklar?
