En gravitationsvågssignal har vänt upp och ner på den vetenskapliga världen

Ett nätverk av gravitationsvågsdetektorer har fångat upp en kollision mellan två kompakta objekt, där det ena har en massa som understiger solens. Ett så lätt svart hål passar inte in i någon känd modell för stjärnors utveckling — och detta har lett forskarna fram till en fascinerande hypotes om dess ursprung under de första mikrosekunderna efter Big Bang.

Klassisk astrofysik förklarar att ett svart hål bildas från kärnan i en massiv stjärna och måste väga minst tre solmassor. När fysiker från teamet LIGO–Virgo–Kagra analyserade händelsen benämnd S251112cm, upptäckte de emellertid att det ena objektet väger mindre än vår egen stjärna. Denna anomali öppnar dörren till en helt ny tolkning — kanske observerar vi för första gången i historien ett spår efter ett ursvärt hål, som uppstod när universum var yngre än en miljondels sekund.

Varför gravitationsvågor skapade uppståndelse bland astronomerna

Allt började med vad som verkade vara en rutinmässig signaldetektion i observatorienätverket LIGO, Virgo och japanska Kagra. Dessa anläggningar mäter mikroskopiska avståndsförändringar mellan speglar orsakade av en gravitationsvåg som passerar genom jorden. Varje sådan signal avslöjar parametrarna för de kolliderande objekten — massa, avstånd och typ.

Vid normala händelser registrerar fysikerna svarta hål med en massa i storleksordningen tiotusentals solmassor. När teamet emellertid bearbetade data från signalen S251112cm, visade det sig att den ena deltagaren i kollisionen har en massa på omkring 0,87 solmassor. Ett så lätt objekt kan enligt nuvarande modeller inte bildas genom kollaps av en stjärnkärna.

Forskarna undersökte först de mer klassiska förklaringarna. Om det var fråga om en kollision mellan neutronstjärnor eller vita dvärgar, borde de också ha fångat upp en blixt i gammastrålar, röntgenområdet eller åtminstone synligt ljus. En grundlig genomgång av himlen gav dock ingen åtföljande signal. Astronomerna stod därmed kvar med ett långt mer exotiskt scenario.

Hur stort är ett svart hål med en massa mindre än solen

Objekt med en massa jämförbar med vår stjärna känner vi främst som mycket täta neutronstjärnor. Ett klassiskt svart hål bildat genom kollaps av en massiv stjärna är enligt modellerna betydligt tyngre — det kräver minst omkring tre solmassor.

För ett objekt med en massa på 0,87 solmassor ger beräkningarna dimensioner som kan jämföras med medelstora städer. Diametern på en sådan rumtidsfälla skulle vara cirka fem kilometer. Det är en distans man bekvämt kan springa på en halvtimme — och ändå talar vi om att pressa nästan hela solens massa in i det utrymmet.

Att skapa något så extremt kräver förhållanden som inga kända processer i stjärnor kan leverera. Astrofysiker understryker att klassisk stjärnfysik helt enkelt inte tillåter bildandet av ett svart hål med så låg massa genom att bara kollapsa en stjärnkärna. Därför riktar forskarnas uppmärksamhet sig i en helt annan riktning.

Ett spår från de första mikrosekunderna efter Big Bang

Författarna bakom den nya analysen, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, riktar blicken djupt in i det förflutna — till en tid då universum var yngre än en miljondels sekund. Under denna period uppförde sig materia annorlunda än idag: den så kallade kvark-gluon-plasman dominerade, och densiteter och temperaturer nådde ofattbara värden.

Redan på 1970-talet förutsåg teoretiska fysiker, däribland Stephen Hawking, att lokala densitetsfluktuationer i en sådan miljö kunde kollapsa under sin egen vikt och skapa en population av miniatyrsvarta hål. Dessa objekt fick namnet ursvarta hål.

Teamet föreslår att det analyserade objektet kan ha uppstått just i den eran förknippad med kvantkromodynamikens fysik, några mikrosekunder efter Big Bang. Om detta scenario är korrekt, skulle signalen S251112cm utgöra det första konkreta beviset på att sådana formationer faktiskt överlevde fram till idag. Det skulle betyda att universum började producera svarta hål redan i sina första ögonblick — i en omfattning som hittills endast diskuterats i ekvationer.

Forskarna understryker att sådana förhållanden aldrig har funnits sedan dess. Endast i den tidigaste fasen av Big Bang kunde extrem densitet och tryck skapa kompakta objekt med massor under en solmassa. Klassiska processer i stjärnor tillåter helt enkelt inte en så effektiv komprimering.

Kan mörk materia vara ett hav av miniatyrsvarta hål

Pusslet blir ännu mer intressant när forskarna kopplar denna kandidat till ett ursvärt hål med problemet om mörk materia. I årtionden har vi vetat att synlig materia — stjärnor, gas, damm — endast utgör en liten del av den kosmiska bokföringen. Cirka 85 procent utgörs av en osynlig komponent som endast manifesterar sig via tyngdkraft.

Hittills har många forskargrupper letat efter partiklar som är ansvariga för denna saknade beståndsdel, exempelvis WIMP:ar detekterade i underjordiska laboratorier. Sökandet har inte gett entydiga resultat, vilket har öppnat vägen för alternativa idéer.

Ursvarta hål kunde utgöra en väsentlig del av den mörka materien
Dessa objekts massintervall överensstämmer med de observerade tyngdkraftspåverkningarna
Detektorerna LIGO och Virgo kunde gradvis kartlägga deras population
Det skulle inte finnas något behov av att leta efter exotiska partiklar i acceleratorer
Fördelningen av svarta hål skulle förklara strukturen i galaktiska glorior
Massesignaturen stämmer överens med vissa teoretiska modeller
Den samlade kosmiska bokföringen skulle äntligen ge mening utan mystiska partiklar

Om ursvarta hål existerar i tillräckligt antal och med rätt massintervall, kan de utgöra en betydande del — kanske till och med hela — av den mörka materien. Den nya analysen antyder att det detekterade objektet passar in i ett sådant scenario. I denna vision består mörk materia inte av exotiska partiklar vi inte kan registrera, utan av otaliga svarta hål utspridda över hela kosmos sedan de tidigaste epokerna.

En lovande signal fäller ännu inte den slutgiltiga domen

Trots entusiasmen dämpar en del forskare förväntningarna. Uppskattningar anger att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent, men tolkningen kräver försiktighet. Det existerar fortfarande mer komplexa scenarier förbundna med system av flera objekt i täta stjärnhopar, som kan generera ovanliga signaler.

Teamet betecknar därför tills vidare objektet som en ”kandidat” till ett ursvärt hål. För att fysikerna ska kunna gå från ett förslag till en solid slutsats, behöver de fler liknande händelser. Den pågående observationskampanjen i LVK-nätverket spelar en avgörande roll här — detektorerna uppnår allt högre känslighet, så chansen för ytterligare registreringar växer varje år.

En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar kunde förvandla en intressant hypotes till ett nytt kapitel i kosmologin. Om flera oberoende händelser bekräftar existensen av en hel klass svarta hål med en massa under en solmassa, kommer fysikerna att behöva skriva om de kapitel i läroböckerna som handlar om Big Bang, tidig kosmologi och mörk materias natur.

Så fungerar en gravitationsvågsdetektor

För att bättre förstå vikten av den aktuella signalen är det nyttigt att veta vad LIGO eller Virgo egentligen mäter. Det rör sig om anläggningar där en laserstråle löper i två vinkelräta armar och reflekteras från speglar som är åtskilda av flera kilometer. När en gravitationsvåg passerar detektorn, komprimerar den den ena axeln något och förlänger den andra.

Förändringen i armarnas längd är mindre än en bråkdel av en protons diameter, men avancerad interferometrisk teknik gör det möjligt att fånga upp den. Utifrån formen på den registrerade gravitationsvågen avläser forskarna massa, avstånd och typen av de kolliderande objekten.

Signalens varaktighet informerar om parets komponentmassor
Amplituden omvandlas till källans avstånd
Slutfrekvensen hjälper till att uppskatta det bildade objektets massa
Frånvaron av en ljussignal underlättar uteslutningen av neutronstjärnor
Mätningens precision når en upplösning mindre än en atomkärna
Ett nätverk av tre detektorer möjliggör triangulering av positionen på himlen

I fallet S251112cm satte sig alla dessa element samman till en bild av ett system där den ena deltagaren har en ovanligt låg massa. Just denna detalj väckte så stort intresse i forskarsamhället.

Vad en bekräftelse av ursvarta hål skulle betyda

Om ytterligare observationer stödjer tolkningen från Cappelluti och Magaraggia, väntar en rad konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett verktyg för att undersöka ultratidiga epoker, betydligt tidigare än den period varifrån den kosmiska bakgrundsstrålningen härstammar. Ursvarta hål skulle fungera som prober som bevarar förhållandena från universums första mikrosekunder.

Teorin om galaxbildning skulle likaså kräva korrigeringar. En ytterligare population av täta kompakta objekt förändrar sättet materia samlas på, hur glorior av mörk materia växer, och hur de första stjärnorna bildas. För partikelfysiker är det också en viktig signal om att sökandet efter exotiska partiklar möjligen har mindre utrymme, om svarta hål spelar den dominerande rollen.

Forskare från olika universitet förbereder redan nya observationsstrategier. Gravitationsvågsdetektorerna kommer under de kommande åren att genomgå uppgraderingar som ökar deras känslighet med upp till en storleksordning. Det borde göra det möjligt att fånga upp dussintals liknande signaler och slutgiltigt bekräfta eller avfärda hypotesen om ursvarta hål. Det skulle inte vara första gången gravitationsvågor omskrev vår förståelse av universum — kanske står vi just nu på tröskeln till ännu ett genombrott i astrofysiken.