En ovanlig signal avslöjar ett objekt som inte borde finnas

Ett märkligt gravitationsvågssignal har röjt ett objekt så lätt att det inte passar in i några kända modeller för stjärnbildning. Experter funderar nu på om det kan vara ett spår från universums allra första mikrosekunder efter Big Bang.

Forskare från teamet LIGO–Virgo–Kagra analyserade inspelningen av en kollision mellan två kompakta objekt, betecknade som S251112cm. När de beräknade massorna hos deltagarna i denna kosmiska sammanstötning visade det sig att ett av dem väger mindre än solen. Enligt klassisk astrofysik kan ett sådant svart hål i princip inte existera. Just därför säger en del forskare idag att vi kanske ser det första spåret av ett så kallat primordialt svart hål, bildat kort efter Big Bang.

Gravitationsvågor utgör ett avgörande verktyg för astronomer som vill observera universum. Medan de flesta tidigare upptäckter har handlat om svarta hål med massor på åtskilliga solmassor är detta fall anmärkningsvärt på grund av sin häpnadsväckande lätthet. En sådan upptäckt kan förändra vår förståelse av det tidiga universum och kanske lösa mysteriet om mörk materia.

Hur gravitationsvågor avslöjade ett kosmiskt mysterium

Allt börjar med en till synes rutinmässig registrering av gravitationsvågor via detektornätverket bestående av LIGO, Virgo och den japanska Kagra. Dessa gigantiska interferometrar mäter mikroskopiska avstånd sförändringar mellan speglar orsakade av gravitationsvågornas passage genom jorden. De flesta sådana signaler härstammar från kollisioner av svarta hål med massor på åtskilliga tiotusentals solmassor.

Men denna gång avslöjade analysen av händelsen S251112cm något ovanligt. Ett av de två sammansmälta objekten har en massa i intervallet från en tiondedel upp till lite under en solmassa. Ett så lätt svart hål passar inte in i ramen för kända processer i stjärnornas evolution.

Forskarna undersökte omedelbart mer traditionella förklaringar. Om signalen härstammade från en kollision av neutronstjärnor eller vita dvärgar skulle det också behöva registreras i ljus — i form av gammastrålning, röntgenstrålning eller åtminstone i det optiska spektrumet. Sökandet efter en åtföljande ljusblixt gav inget resultat. Därmed stod ett långt mer exotiskt scenario kvar som den mest sannolika möjligheten.

Ett svart hål mindre än en svensk stad

Objekt med en massa nära solens, som vi känner från astronomiska kataloger, är i regel mycket täta neutronstjärnor. Ett typiskt svart hål som bildas vid kollaps av en massiv stjärna är långt tyngre — enligt nuvarande modeller måste det som minimum ha cirka tre solmassor. För astrofysiker är ett objekt med en massa på 0,87 solmassor därför en absolut undantag.

För ett objekt i storleksordningen 0,87 solmassor ger beräkningarna dimensioner som kan jämföras med en medelstor svensk stad. Diametern av en sådan rymd-tidsfälla skulle vara cirka fem kilometer — ett avstånd man lätt kan springa på en halvtimme. Och ändå talar vi om att packa nästan hela solens massa in i den skalan.

Att skapa något så extremt kräver betingelser som inga kända processer i stjärnor kan leverera. Astrofysiker understryker att klassisk stjärnfysik inte tillåter bildandet av ett svart hål med så låg massa via en normal kärnkollaps. Det är just därför som forskarna vänder blicken mot universums tidigaste epoker.

Ett spår från de första mikrosekunderna efter Big Bang

Författarna till den nya analysen, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, riktar därför blicken långt tillbaka i tiden — till en tid då universum var yngre än en miljondels sekund. Under denna period uppför sig materia annorlunda än idag: den så kallade kvark-gluon-plasman dominerar, och både densitet och temperatur är obegripliga.

Redan på 1970-talet förutsåg teoretiska fysiker, däribland Stephen Hawking, att lokala densitetsfluktuationer i en sådan miljö kunde kollapsa under sin egen vikt och bilda en hel population av miniatyrsvarta hål. De fick beteckningen primordial svarta hål. Teamet antyder att det analyserade objektet kan ha uppstått just i den era som är förknippad med kvantfärgdynamikens fysik, ett par mikrosekunder efter Big Bang.

Om detta scenario är korrekt skulle signalen S251112cm utgöra det första påtagliga beviset på att sådana strukturer faktiskt har överlevt till vår tid. Det skulle betyda att universum redan i sina allra första ögonblick började producera svarta hål i en omfattning som hittills bara har diskuterats i ekvationer. För kosmologer skulle det vara en revolutionerande upptäckt.

Signalens varaktighet berättar om massorna hos parets två komponenter
Amplituden översätts till källans avstånd från jorden
Slutfrekvensen ger möjlighet att estimera massan hos det bildade objektet
Frånvaron av en ljussignal hjälper till att utesluta neutronstjärnor
Formen av den registrerade signalen avslöjar typen av de kolliderande objekten
Interferometritekniken registrerar förändringar mindre än en bråkdel av en protons diameter
Detektorerna hos LIGO har armar på flera kilometers längd
Virgo i Italien och Kagra i Japan utgör ett globalt nätverk

Kan mörk materia vara ett hav av miniatyrsvarta hål?

Pusslet blir ännu mer intressant när forskarna kopplar denna kandidat till ett primordialt svart hål med problemet om den så kallade mörka materien. Det har under årtionden fastställts att synlig materia — stjärnor, gas och damm — endast utgör en liten del av den kosmiska massräkningen. Cirka 85 procent utgörs av en osynlig komponent som bara gör sig till känna via tyngdkraften.

Många grupper har hittills sökt efter partiklar som kan förklara denna saknade komponent — till exempel WIMPs registrerade i underjordiska detektorer. Dessa sökningar har ännu inte gett ett entydigt resultat, vilket har öppnat vägen för alternativa idéer. Om primordial svarta hål existerar i tillräcklig mängd och med rätt massfördelning kan de utgöra en väsentlig del — kanske till och med hela — den mörka materien.

Den nya analysen antyder att det registrerade objektet passar in i ett sådant scenario. Masssignaturen stämmer överens med förutsägelserna från vissa modeller för populationer av primordial svarta hål. I denna vision är mörk materia inte exotiska partiklar vi inte kan peka på, utan otaliga svarta hål spridda över hela kosmos sedan de tidigaste epokerna. För partikelfysiken skulle det innebära ett snävare utrymme för att söka efter nya elementarpartiklar.

Signalen är lovande men inte avgörande än

Trots entusiasmen dämpar en del forskare förväntningarna. Estimaten visar att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent, men tolkningen kräver försiktighet. Det existerar fortfarande mer komplexa scenarier förknippade med system av många objekt i täta stjärnhopar, som kan generera atypiska signaler.

Därför betecknar teamet tills vidare objektet som en kandidat till ett primordialt svart hål. För att röra sig från ett förslag till en stark slutsats behöver fysikerna fler liknande händelser. Den pågående observationskampanjen i LVK-nätverket är här av avgörande betydelse — detektorerna uppnår allt högre känslighet, och chanserna för ytterligare registreringar växer varje år.

En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar kunde omvandla den spännande hypotesen till ett nytt kapitel inom kosmologin. Om flera oberoende händelser bekräftar existensen av en hel klass av subsolära svarta hål kommer fysiker att behöva omskriva läroböckernas kapitel om Big Bang, tidig kosmologi och mörk materias natur. Det skulle vara en epokgörande upptäckt på nivå med upptäckten av gravitationsvågorna själva.

Vad skulle en bekräftelse av primordial svarta hål förändra?

Om ytterligare observationer understödjer Cappellutis och Magaraggias tolkning väntar oss en rad konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett verktyg för att studera ultratidiga epoker — långt tidigare än den period varifrån den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen härstammar. Primordial svarta hål skulle fungera som sonder som minns de betingelser som rådde i universums första mikrosekunder.

Teorin om galaxbildning skulle också kräva korrigeringar. En extra population av täta kompakta objekt förändrar det sätt på vilket materia samlas, hur haloer av mörk materia växer och hur de första stjärnorna bildas. Man kan använda en enkel bild: föreställ dig en gryta med kokande soppa, där bubblor ständigt stiger upp och sjunker ner igen.

I det mycket tidiga universum var sådana bubblor förtätningar av materia. De flesta av dem upplöstes i takt med att universum expanderade, men några var så täta att de kollapsade under sin egen vikt och bildade svarta hål. Under de efterföljande miljarder åren skulle sådana objekt kretsa nästan osynligt mellan och inom galaxer och ibland kollidera med varandra. Det är just vid sådana sällsynta kollisioner som gravitationsvågor uppstår — vågor som jordbaserade detektorer registrerar idag. Varje sådan signal fungerar därmed som ett vykort skickat från universums allra första ögonblick och för med sig information om förhållanden som på inget annat sätt kan observeras.