Astrofysiker i USA har registrerat en ovanlig gravitationssignal som möjligen härstammar från ett svart hål som bildades bara sekunder efter Big Bang. Objektet har en massa som understiger Solens, vilket motsäger allt vi känner till om vanliga svarta hål.

Enligt preliminära analyser rör det sig om ett objekt vars massa är mindre än Solens, vilket strider mot vad vetenskapen vet om typiska svarta hål. Om tolkningen stämmer ser vi nu det första spåret någonsin av ett så kallat primordial svart hål – en relik från universums allra första sekund.

Standardscenariot för hur svarta hål bildas är välbeskrivet i läroböckerna. I slutet av sin livstid kollapsar en massiv stjärna under sin egen tyngd, exploderar som en supernova, och dess centrum förvandlas till ett svart hål. Därför överstiger massan hos ett sådant objekt typiskt Solens massa betydligt.

Med den nya signalen är det annorlunda. Objektet som kolliderade med ett annat och skapade de registrerade gravitationsvågorna har en massa tydligt lägre än Solens. Teoretiskt borde det alltså inte existera – såvida det inte uppstod från en stjärna, utan på ett helt annat sätt.

Varför detta svarta hål kan härstamma från tiden före stjärnorna

En möjlig förklaring är ett primordial svart hål som föddes under extrema förhållanden strax efter Big Bang, innan de första stjärnorna överhuvudtaget bildades. Sådana objekt är kosmiska fossiler från universums första sekund. Enligt teorin kunde de växa fram ur mycket täta klumpar av subatomär materia som uppstod i det heta, extremt snabbt expanderande rummet.

De krävde ingen stjärna, ingen supernovaexplosion – endast extrem täthet. Forskare från University of Miami, Alberto Magaraggia och Nico Cappelluti, har analyserat data och pekar på ett primordial svart hål som den mest konsekventa förklaringen. Sådana objekt representerar en direkt koppling till universums allra första ögonblick.

Teorier om primordiala svarta hål har existerat i årtionden, men hittills har konkreta observationer saknats. Signalen som bär beteckningen S251112cm kan vara det första empiriska beviset för dessa extremt sällsynta objekt. Detektorn LIGO har visat att den inte bara kan registrera spektakulära kollisioner mellan massiva svarta hål, utan också spåra mycket lättare och mer exotiska objekt dolda i databruset.

Därför gör massan hela skillnaden i detta fynd

Vanliga svarta hål som observerats av astronomer har grovt sagt två typiska massintervall. Det första intervallet sträcker sig från några till flera tiotal Solmassor och härstammar från rester av massiva stjärnor. Det andra intervallet omfattar miljoner till miljarder Solmassor och gäller jättar i galax centrum.

Objektet i den nya signalen ligger tydligt under den nedre gränsen känd från sådana fall. Det gör att det klassiska stjärnscenariot praktiskt taget faller bort, och konceptet om primordiala svarta hål träder fram. Astrofysikerna har jämfört den förväntade förekomsten av sådana objekt med verkliga data från LIGO-detektorn, insamlade sedan 2015.

Sällsyntheten hos denna signal stämmer väl överens med teoretiska modeller för primordiala svarta hål. Med andra ord dyker den upp precis så sporadiskt som den borde, om dessa objekt faktiskt existerar. Listan över observationer växer:

Signalen S251112cm registrerad av LIGO i USA
Massa under Solens massa, atypisk för stjärnuppkomna svarta hål
Kollisionsfrekvens matchar teoretiska modeller för primordiala objekt
Inga optiska eller radiovågssignaturer, endast gravitationsvågor
Analys utförd av forskare från University of Miami
Data jämförda med arkivmätningar från LIGO sedan 2015
Potentiell koppling till mörk materia i universum

En kollision avgör inte saken. En sådan signal kan ha alternativa tolkningar, och astrofysiker är kända för sin försiktighet. Därför erkänner forskarna öppet att det behövs fler, helst tio eller flera liknande händelser för att bekräfta fyndet solidt. Ändå öppnar själva det faktum att instrumenten överhuvudtaget når en sådan känslighet ett nytt forskningsområde.

Kan primordiala svarta hål förklara den mörka materian i kosmos

Om signalen verkligen härstammar från ett primordial svart hål berör vi ett problem som fysiker har kämpat med i årtionden – den så kallade mörka materian. Från observationer av stjärnors och galaxers rörelser framgår det att enorma mängder massa saknas i kosmos. Allt vi ser – stjärnor, planeter, gas, damm – utgör endast cirka 15 procent av det som krävs för att förklara universums gravitationella beteende.

Resten är osynlig materia som varken lyser eller reflekterar ljus, men som drar till sig gravitationellt. En hypotes säger att en betydande del av denna saknade massa kan utgöras av just primordiala svarta hål, spridda i rymden som mikroskopiska, osynliga tyngdklumpar. Om LIGO faktiskt har börjat registrera sådana objekt handlar det inte bara om en kuriositet.

Forskare får ett verktyg för att räkna dem och bedöma hur mycket de sammantaget kan väga. Varje efterföljande händelse hjälper till att besvara frågan om primordiala svarta hål kan förenas med observationer av galaxer, galaxhopar eller den kosmiska bakgrundsstrålningen. Observatoriet LIGO mäter mikroskopiska vibrationer i rymden som uppstår vid sammanstötningar mellan extremt massiva objekt.

År 2015 registrerade LIGO för första gången en signal från en kollision mellan svarta hål, vilket gav en Nobelprisbelönad revolution inom astronomin. Nu fångar samma instrument något långt mer subtilt. Signalen S251112cm utmärker sig genom objektets massa, som inte lätt kan passas in i kända kategorier.

Vad kan LISA och nästa generation detektorer avslöja

LIGO är inte det enda instrumentet på horisonten. Europeiska rymdorganisationen utvecklar projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – en rymdbaserad detektor för gravitationsvågor. Tre satelliter ska bilda ett gigantiskt triangulärt interferometer som kretsar kring Solen. Uppskjutningen är planerad till mitten av 2030-talet.

LISA kommer att vara känslig för ett annat frekvensområde än LIGO, vilket innebär att den fångar helt nya typer av källor. För primordiala svarta hål kan detta bli ett genombrott. Några av dem, särskilt de i par, kan generera vågor som passar perfekt till det rymdbaserade interferometerns känslighet. Kombinationen av LIGO på jorden och LISA i rymden ger forskarna en fullständig bild av gravitationsvåg-universum.

Det kosmiska interferometern kommer att kunna registrera sammanstötningar mellan primordiala svarta hål i ett mycket bredare massområde. Instrumentet kommer också att kunna spåra objekt längre tillbaka i tiden, närmare Big Bang själv. Därmed får astronomer tillgång till perioder av universums historia som inga optiska eller radioteleskop kan nå.

Hur föreställer man sig ett så litet svart hål

Ett svart hål lättare än Solen låter lite abstrakt, så det är värt att förankra det i något mer konkret. Om det fanns ett primordial svart hål med en massa som exempelvis en större asteroid, skulle det ha en storlek nära en fotboll, kanske till och med mindre. Ändå skulle dess tyngdkraft överträffa tyngdkraften hos ett helt berg, och i närheten av händelsehorisonten skulle även en ljusstråle inte kunna undkomma.

Sådana objekt är praktiskt taget omöjliga att upptäcka med klassiska teleskop. De lyser inte, reflekterar inte ljus, men kan ibland avslöja sig själva genom att böja banan för ljusstrålar som passerar bakom dem, eller – som i detta fall – sända ut gravitationsvågor vid sammanstötning med en annan massa. Det gör dem extremt utmanande att studera, men gravitationsvåg-astronomi har öppnat en helt ny möjlighet.

Forskare kan nu registrera primordiala svarta hål indirekt genom de rumtidsstörningar de skapar. Även om dessa objekt är mindre än en stad, kan de rymma information om universums allra första ögonblick. De är som tidskapsuler från Big Bang, förseglad i extrem täthet och bevarade genom miljarder år.

Vad betyder detta fynd för framtidens kosmologi

Även om signalen S251112cm kräver bekräftelse påverkar den redan nu hur vetenskapsfolk planerar framtida undersökningar. Urval av arkivdata med sikte på liknande, tidigare ignorerade händelser inleds. Teoretiska team finputsar modeller som förutsäger hur kollisioner mellan primordiala svarta hål med olika massor exakt bör se ut.

För oss vanliga observatörer visar hela historien hur snabbt astronomin förändras. För bara ett decennium sedan var gravitationsvågor endast ett koncept från Einsteins ekvationer. I dag blir de ett verktyg för att utforska de mest otillgängliga faserna i universums historia – de som inget optiskt eller radioteleskop kan visa. Instrument som LIGO och framtida detektorer som LISA revolutionerar vår förståelse av kosmos.

Om de kommande åren ger fler liknande signaler kan begrepp som primordial svart hål och mörk materia upphöra att låta som ren teori. Med tiden blir de en del av konkreta objektkataloger med beskrivna massor, kollisionsfrekvenser och inflytande på galaxers evolution. Och då börjar frågorna om ursprunget till allt som omger oss få långt mer numeriska, mätbara svar.