Signal från ett svart hål som föddes före de första stjärnorna

En eko från universums allra första ögonblick

Amerikanska astrofysiker har fångat upp gravitationsvågor som troligen härstammar från ett svart hål som uppstod under universums tidigaste fas efter Big Bang. Detta objekt väger mindre än vår sol — vilket kullkastar allt vetenskapen hittills trott sig veta om svarta hål.

Om denna tolkning visar sig vara korrekt har vi för första gången i historien ett konkret bevis för ett så kallat primordalt svart hål — en kvarleva från den allra första sekunden av universum. Det kan bokstavligen tvinga oss att skriva om kosmologins läroböcker från grunden.

Forskarna Alberto Magaraggia och Nico Cappelluti från University of Miami granskade data från detektorn LIGO och nådde en anmärkningsvärd slutsats: en specifik signal, kallad S251112cm, tyder på att dessa exotiska objekt faktiskt existerar. Vi talar inte om ren teori — detta är ett mätbart, fysiskt spår.

Ett svart hål som aldrig behövde en stjärna

De flesta känner till hur ett klassiskt svart hål bildas från grundläggande astrofysik. En massiv stjärna kollapsar under sin egen tyngd i slutet av sitt liv, exploderar som en supernova, och dess kärna förvandlas till ett svart hål. Därför har sådana objekt vanligtvis en massa på några få till tiotals solmassor.

Med den nya signalen är läget annorlunda. Objektet som kolliderade med en annan himlakropp och därmed genererade de uppmätta gravitationsvågorna har en massa som är markant lägre än solens. Teoretiskt sett borde det inte finnas — såvida det inte uppstod från en stjärna, utan på ett helt annat sätt.

Den mest troliga förklaringen är ett primordalt svart hål som formades under extrema förhållanden kort efter Big Bang — långt innan de första stjärnorna ens hade hunnit bildas. Sådana objekt är kosmiska fossil från universums första sekund.

Enligt teorin kan de ha uppstått från ovanligt täta klumpar av subatomär materia som formades i ett snabbt expanderande och brännande hett rum. De krävde ingen stjärna, ingen supernovaexplosion — bara extrem täthet i sin renaste form.

Därför spelar massan en avgörande roll

De svarta hål som astronomer normalt observerar faller inom två typiska massintervall. Den första gruppen omfattar objekt med några få till tiotals solmassor — lämningar efter massiva stjärnor. Den andra gruppen innehåller miljoner till miljarder solmassor — gigantiska svarta hål i centrum av galaxer.

Objektet som antyds i den nya signalen ligger betydligt under den nedre gränsen för båda kända kategorierna. Det eliminerar i praktiken det klassiska stjärnscenariot och öppnar upp för konceptet primordala svarta hål.

Astrofysikerna jämförde den förväntade förekomstfrekvensen av sådana objekt med verkliga data från LIGO, som har samlat in mätningar sedan 2015. Signalens sällsynthet stämmer väl överens med de teoretiska modellerna för primordala svarta hål — det dyker upp precis så sporadiskt som det borde, om dessa objekt verkligen existerar.

Forskarna lyfter fram sex centrala kännetecken hos signalen S251112cm:

• Objektets massa understiger en solmassa
• Förekomstfrekvensen motsvarar teoretiska förutsägelser
• Gravitationsvågens form avviker från standardkollisioner
• Avsaknad av elektromagnetisk strålning, som är typisk för stjärnbildade svarta hål
• Överensstämmelse med modeller för universums tidiga inflationsfas
• Lågt signal-brus-förhållande som kräver sofistikerad analys

Så här ”lyssnar” LIGO på universum via gravitationsvågor

Bakom hela upptäckten står LIGO — det amerikanska observatoriet för gravitationsvågor som mäter mikroskopiska vibrationer i rymden, skapade av kollisioner mellan extremt massiva objekt. År 2015 registrerade LIGO för första gången en signal från en kollision mellan svarta hål, vilket utlöste en nobelprisbelönad revolution inom astronomin.

Nu fångar samma instrument upp något långt mer subtilt. Signalen S251112cm utmärker sig genom sin massa, som inte låter sig placeras i några kända kategorier. De två forskarna från University of Miami analyserade datan och pekar på ett primordalt svart hål som den mest konsekventa förklaringen.

LIGO har bevisat att det inte bara kan registrera spektakulära kollisioner mellan massiva svarta hål, utan också spåra långt lättare och mer exotiska objekt, gömda i databruset. Laboratorierna i Hanford och Livingston använder laserinterferometrar med armar som är fyra kilometer långa.

En enda signal räcker dock inte för att avgöra saken. Sådana fynd kan ha alternativa förklaringar, och astrofysiker är kända för sin försiktighet. Forskarna erkänner öppet att de för en solid bekräftelse behöver flera — helst mer än tio — liknande händelser. Ändå visar det faktum att instrumenten överhuvudtaget når en sådan känslighet att ett helt nytt forskningsfält håller på att öppna sig.

Kan primordala svarta hål vara universums dolda massa?

Här tar det inte slut. Om signalen verkligen härstammar från ett primordalt svart hål berör vi ett problem som fysiker har kämpat med i årtionden — den så kallade mörka materien.

Observationer av stjärnors och galaxers rörelser visar att det saknas enorma mängder massa i universum. Allt vi kan se — stjärnor, planeter, gas, damm — utgör endast cirka femton procent av det som krävs för att förklara universums gravitationella beteende. Resten består av osynlig materia som varken lyser eller reflekterar ljus, men som drar till sig gravitationellt.

En av hypoteserna säger att en betydande del av denna saknade massa kan bestå av just primordala svarta hål, spridda i rymden som mikroskopiska, osynliga klot av massa. Om LIGO verkligen har börjat registrera sådana objekt är det mer än bara en kuriositet.

Forskarna får ett verktyg för att räkna dem och uppskatta vad de tillsammans väger. Varje ny händelse kommer att hjälpa till att besvara frågan om primordala svarta hål kan förenas med observationer av galaxer, galaxhopar och den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.

Astrofysiker från Stanford University och MIT samarbetar för att bygga kataloger över dessa objekt. Forskare från Caltech förfinar algoritmer för filtrering av signaler. Teoretiker från University of Cambridge vidareutvecklar modeller för deras bildning.

Vad LISA och nästa generation detektorer kan ge oss

LIGO är inte det enda instrumentet på horisonten. Den Europeiska Rymdorganisationen ESA utvecklar projektet LISA — en rymdbaserad detektor för gravitationsvågor. Tre satelliter ska tillsammans bilda en gigantisk triangulär interferometer i omloppsbana kring solen. Uppskjutningen är planerad till mitten av trettiotalet.

LISA kommer att vara känslig för ett annat frekvensområde än LIGO, vilket innebär att den kommer att fånga upp helt nya typer av källor. För primordala svarta hål kan det bli ett genombrott — några av dem, särskilt de i par, kan generera vågor som är perfekt anpassade till den rymdbaserade interferometerns känslighet.

Projektet LISA involverar ett samarbete mellan ESA och NASA. Interferometerns armar kommer att vara två och en halv miljon kilometer långa. Missionen leds av forskare från European Space Technology Centre i Nederländerna. Testsatelliten LISA Pathfinder har redan genomfört sin verifieringsmission med framgång.

Hur man föreställer sig ett så litet svart hål

Ett svart hål som är lättare än solen låter abstrakt — så det är värt att sätta det i perspektiv. Om det existerade ett primordalt svart hål med massan av en stor asteroid skulle det ha en storlek nära en fotboll, kanske ännu mindre. Ändå skulle dess tyngdkraft överträffa tyngdkraften från ett helt berg, och nära händelsehorisonten skulle inte ens en ljusstrimma kunna fly.

Sådana objekt är praktiskt taget osynliga för klassiska teleskop. De lyser inte, de reflekterar inte ljus — de kan ibland avslöja sig själva genom att böja banan för ljusstrålar som passerar bakom dem, eller — som i detta fall — genom att sända ut gravitationsvågor vid kollision med en annan massa.

Händelsehorisonten för ett sådant svart hål skulle ha en diameter på några få centimeter till meter. Tätheten skulle nå värden jämförbara med en atomkärna. Ett objekt med hälften av solens massa skulle kunna rymmas i en kula på storleken av Stockholm.

Vad ett enda atypiskt fynd betyder för framtidens forskning

Även om signalen S251112cm kräver bekräftelse påverkar den redan det sätt som forskare planerar framtida forskning på. Arkivdata granskas nu med blick för liknande, tidigare förbisedda händelser. Teoretiska team färdigställer modeller som förutsäger hur kollisioner mellan primordala svarta hål av olika massa exakt borde se ut.

För oss som vanliga betraktare visar hela historien hur snabbt astronomin förändras. För bara tio år sedan var gravitationsvågor endast ett begrepp från Einsteins ekvationer. Idag är de ett verktyg för att undersöka de mest otillgängliga epokerna i universums historia — de som inget optiskt eller radioteleskop någonsin kommer att kunna visa oss.

Om de kommande åren ger fler liknande signaler kan begrepp som primordalt svart hål eller mörk materia upphöra att låta som ren teori. Med tiden kan de bli en del av konkreta objektkataloger med beskrivna massor, kollisionsfrekvenser och inflytande på galaxernas utveckling. Och då kommer frågorna om begynnelsen av allt som omger oss att börja få långt mer mätbara, numeriska svar.