En ovanlig signal från rymden ifrågasätter kända teorier

Forskare bakom detektorerna LIGO, Virgo och Kagra har registrerat en anmärkningsvärd gravitationsvågssignal. Analysen tyder på att ett av de två kollisionsobjekten var lättare än solen — alldeles för litet för att passa in i någon känd typ av svart hål.

Allt började med registreringen av en signal betecknad som S251112cm. Det är ytterligare ett tillägg till katalogen över gravitationsvågor — krusningar i rumtiden skapade vid kollisioner mellan extremt massiva objekt, oftast svarta hål eller neutronstjärnor.

För teamet bakom LVK-nätverket (LIGO-Virgo-Kagra) är det nästan en vardagshändelse. Men den här gången stämmer något uppenbarligen inte. Ett av de två kollisionsobjekten hade en massa på endast mellan 0,1 och 0,87 solmassor.

Data visar med en sannolikhet på över 99 procent att minst ett av objekten vägde mindre än solen. Ett sådant scenario passar inte in i standardmodellerna för stjärnornas utveckling.

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 och de yttre skikten kastas ut i en supernova. Fysiken bakom sådana kollapser sätter emellertid en nedre gräns för ett svart håls massa.

Den teoretiska nedre gränsen för ett stjärnbaserat svart håls massa är cirka tre solmassor. Det typiska massintervallet för stellara svarta hål ligger från ett par till ett par dussin solmassor. Händelsen S251112cm indikerar ett objekt med en massa på under en solmassa.

Nuvarande modeller för stjärnornas utveckling är tydliga: en vanlig stjärna kan inte skapa ett svart hål så litet som det gravitationsvågsanalysen antyder. Om signalen verkligen härrör från ett miniatyriserat svart hål måste det ha uppstått på ett helt annat sätt. Här träder de så kallade primordiala svarta hålen in på scenen — teoretiserade i årtionden av bland andra Stephen Hawking.

Ursprungliga svarta hål uppstod bråkdelar av en sekund efter Big Bang

Till skillnad från klassiska svarta hål bildas primordiala svarta hål inte från stjärnor. Deras ursprung går tillbaka till bråkdelar av sekunder efter Big Bang. I det mycket unga universum rådde extrema förhållanden: ofattbara temperaturer, densiteter och våldsamma fluktuationer i materiefördelningen.

I vissa områden kunde materia ansamlas så tätt att ett lokalt gravitationsfält kollapsade utan någon stjärnas medverkan och omedelbart skapade ett svart hål. Det scenario som forskarna föreställer sig förutsätter att objektet uppstod under en fas kopplad till kvantkromodynamik, bara några mikrosekunder efter universums begynnelse — i en epok där vanliga stjärnor ännu inte ens existerade.

Om tolkningen är korrekt kan LVK för första gången ha registrerat en signal från kollisionen av ett sådant ursprungligt svart hål med ett annat objekt. Det visar att gravitationsvågor inte bara är ett verktyg 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 inte dramatiskt liten — tills man ser på dess storlek. Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt. Dess diameter skulle vara på cirka fem kilometer. Vi talar om något med en massa jämförbar med solens, packad i ett område på storleken av en medelstor stad.

Så extrema densitetsförhållanden verkar endast möjliga i tiden omedelbart efter Big Bang, då materia genomgick våldsamma fasövergångar. Det är en av anledningarna till att primordiala svarta hål just förknippas med universums första bråkdelar av en sekund.

Kan mörk materia vara ett moln av mini-svarta hål?

Om tolkningen av S251112cm-signalen som spår efter ett primordialt svart hål håller, sträcker sig konsekvenserna långt utöver bara klassificeringen av ett exotiskt objekt. Frågan om mörk materias natur träder in i bilden.

Astronomer har i åratal vetat att synlig materia — stjärnor, gas, damm — bara utgör en liten del av det kosmiska pusslet. En ytterligare massa som inte kan ses i något våglängdsintervall påverkar beteendet hos galaxer, galaxhopar och stora kosmiska strukturer. Denna osynliga massa kallades mörk materia.

I årtionden letade man efter hypotetiska nya partiklar, från de berömda WIMP-partiklarna till exotiska lätta bosoner. Men ytterligare experiment i underjordiska partikeldetektorer slutade i tystnad. I detta sammanhang började mini-svarta hål att låta allt mer övertygande som ett alternativ.

Analysen antyder att med rätt antal och rätt massfördelning kunde primordiala svarta hål förklara en betydande del — potentiellt all — mörk materia, utan att det krävs införande av helt nya elementarpartiklar. I detta scenario skulle universum vara fyllt med bittesmå svarta hål, spridda diskret i galaxernas haloer och det intergalaktiska rummet.

Här är några centrala fakta om hela ämnet:

LIGO i USA — två detektorer som som de första registrerade gravitationsvågor år 2015
Virgo — europeisk interferometer som ökar precisionen vid lokalisering av källor på himlen
Kagra — japansk detektor nedkyld till mycket låga temperaturer, byggd i en tunnel under ett berg
Den teoretiska nedre gränsen för ett stjärnbaserat svart håls massa är tre solmassor
Diametern på ett svart hål med en massa på 0,87 solmassor skulle vara cirka fem kilometer
Data visar med över 99 procents sannolikhet att objektet vägde mindre än solen
Stephen Hawking teoretiserade om primordiala svarta hål genom årtionden

Forskarna förblir försiktiga och inväntar en ny liknande signal

Trots den uppenbara entusiasmen i forskningsmiljön bevarar vetenskapsfolket sin distanserade överblick. Analysen är publicerad på servern arXiv och inskickad till en erkänd tidskrift, men har ännu inte genomgått kollegial granskning. Forskarna talar öppet om en kandidat till ett primordialt svart hål.

Det ska fortfarande verifieras om signalen inte kan förklaras annorlunda — till exempel som effekten av komplexa växelverkningar i ovanligt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda multipla system, där en serie kollisioner och infångningar genererar komplicerade gravitationsvågor.

Tills vidare tyder allt på att tolkningen med ett primordialt svart hål är den enklaste och stämmer bäst överens med data. Fysikerna behöver dock ett avgörande element till: upprepning. Om LVK-detektorerna under den pågående kampanjen registrerar en andra, liknande signal med ett objekt under solmassan, kommer hypotesen om primordiala svarta hål att få en helt annan tyngd.

Hur fungerar detektorer som lyssnar på rumtiden?

Gravitationsvågor är mikroskopiska krusningar i själva rumtidens struktur. För att registrera dem byggde vetenskapsfolk gigantiska interferometrar — apparater som mäter minimala avståndsförändringar mellan speglar placerade i tunnlar av 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 försiktigt den ena armen på interferometern och förlänger den andra. Förändringen är mindre än en protons diameter, men den känsliga apparaten kan registrera den. Tack vare samarbetet mellan de tre instrumenten kan forskarna inte bara mäta vågornas form, utan också rekonstruera parametrarna för de objekt som framkallade dem: massa, avstånd och till och med rotation.

Just denna metod gjorde det möjligt att fastställa att händelsen S251112cm involverade ett objekt med en massa under solmassan. I en enkel analogi kan en gravitationsvåg jämföras med en våg på vattnet — dock inte i vatten, utan i själva rummets struktur. När enorma massor som svarta hål kretsar kring varandra och kolliderar skakas rumtiden så intensivt att effekten av denna storm når fram till oss miljarder ljusår bort.

Vad kommer kommande års forskning om mini-svarta hål att ge?

Om tolkningen av det primordiala svarta hålet överlever kritiken kan man under de kommande åren förvänta sig en offensiv av nya studier. Astronomer kommer att genomsöka arkiven från tidigare LVK-kampanjer för att hitta ytterligare förbisedda signaler med objekt under solmassan. Samtidigt kommer teoretiker att börja anpassa modeller för primordiala svarta håls bildande till de nya begränsningarna.

Frågor som: hur ofta kunde de uppstå, vilken typisk massa antar de, och om deras population verkligen kan förklara mörk materia — allt detta kräver korrigeringar av scenarierna för det unga universums evolution, inklusive de mycket tidiga fasövergångarna i materia.

Om mörk materia visar sig bara vara ett moln av mini-svarta hål skulle det förändra sättet som framtida rymdmissioner planeras på, prognoser för signaler i neutrinodetektorer och design av experiment med elementarpartiklar. En del av de planerade dyra anläggningarna kunde förlora sin mening, och nya idéer mer fokuserade på gravitationsvågsastronomi skulle träda fram istället.

Det är värt att precisera: mörk materia uppslukar inte energi från stjärnor och utgör inget direkt hot mot jorden. Dess inverkan är praktiskt taget uteslutande gravitationell. Om den består av mini-svarta hål är deras täthet i vår närhet så liten att chansen för ett nära möte med ett av dem i hela mänsklighetens historia är obetydlig.

Långt mer intressanta är de långsiktiga kunskapsmässiga vinsterna. Varje ny registrerad signal med deltagande av så små svarta hål ger en möjlighet att testa gravitationsteorier i en extrem regim. Det kan peka på var man ska söka ny fysik utöver den allmänna relativitetsteorin och standardmodellen för partiklar — och just från sådana till synes hermetiska forskningsområden uppstår ofta de teknologier som år senare tränger in i vardagslivet.