En gåtfull signal från rymden förbryllar vetenskapen

Detektorerna LIGO, Virgo och Kagra har fångat upp något högst ovanligt från djupet av kosmos. Analysen pekar på att ett objekt med lägre massa än vår Sol deltog i en kollision – alldeles för lätt för att vara ett vanligt svart hål.

Scenariot passar helt enkelt inte in i etablerade modeller för hur stjärnor utvecklas. Allt fler forskare talar nu om att detta skulle kunna vara det allra första spåret av ett så kallat primordial svart hål, format redan under universums första andetag.

Data som inte stämmer överens med någon känd teori

Forskarna som övervakar gravitationsvågdetektorerna registrerar idag dussintals händelser varje år. Typiskt rör det sig om kollisioner mellan svarta hål eller neutronstjärnor, vanligtvis med massor från några få upp till tiotals solmassor. Men i februari i år stötte teamet på en signal som stack ut kraftigt.

Ett av objekten som var inblandat i krocken hade en massa på bara 0,1 till 0,87 gånger Solens massa. Astronomer hade helt enkelt inte räknat med ett så lätt svart hål från en klassisk stjärnkollaps.

Forskarna gick omedelbart igenom de vanliga förklaringarna. Kanske var det en neutronstjärna eller en vit dvärg. Problemet är att vid sådana kollisioner brukar detektorerna även fånga elektromagnetisk strålning – gammastrålar, röntgenljus eller efterglöd i det synliga spektrumet. Den här gången registrerade teleskopen absolut ingenting. Endast gravitationsvågorna fanns kvar, precis som vid en typisk kollision mellan två svarta hål.

Varför en vanlig stjärna inte kan skapa ett så litet svart hål

För att ett klassiskt svart hål ska uppstå måste en massiv stjärna avsluta sitt liv genom en dramatisk kollaps. Kärnan faller samman under sin egen tyngd medan de yttre skikten slungas ut i en supernova. Fysiken bakom sådana kollapser sätter en nedre gräns för hur lätt ett svart hål kan vara.

Den teoretiska undre gränsen för massan hos ett stjärnbaserat svart hål ligger på cirka tre solmassor. Det typiska massintervallet för sådana svarta hål sträcker sig från några få till tiotals solmassor. Händelsen som betecknats S251112cm pekar på ett objekt med en massa under en solmassa. Data tyder med en sannolikhet på över 99 procent att minst ett av objekten vägde mindre än Solen.

Nuvarande modeller för stjärnors evolution är tydliga: en vanlig stjärna kan inte bilda ett svart hål så litet som det gravitationsvåganalysen indikerar. Om signalen verkligen härrör från ett miniatyrsvart hål måste det ha uppstått genom en helt annan process.

Urgamla svarta hål enligt Stephen Hawking

Här kommer de så kallade primordiala svarta hålen in i bilden – en teori som bland andra Stephen Hawking teoretiserade kring. Till skillnad från klassiska svarta hål uppstår de inte från stjärnor. Deras ursprung går tillbaka till bråkdelar av sekunder efter Big Bang.

I det ultratäta unga universum rådde extrema förhållanden: ofattbara temperaturer, densiteter och våldsamma fluktuationer i materiafördelningen. I vissa områden kunde materia klumpa ihop sig så tätt att det lokala gravitationsfältet kollapsade utan någon stjärnas medverkan och omedelbart skapade ett svart hål.

Forskarna föreslår att objektet uppstod under en fas kopplad till kvantfärgdynamik, bara mikrosekunder efter universums början – i en epok då vanliga stjärnor ännu inte existerade.

Om tolkningen är korrekt har LVK-nätverket kanske för första gången registrerat en signal från en kollision med just ett sådant ursvart hål. Det visar att gravitationsvågor inte bara är ett verktyg för att studera exotiska stjärnor, utan också universums allra tidigaste ögonblick. Forskare från University of California, European Southern Observatory och andra institutioner går nu igenom en detaljerad analys av alla signalparametrar.

Ett svart hål lika stort som en stad

Vad innebär det egentligen att ett svart hål har en massa på 0,87 solmassor? Siffran låter inte dramatiskt låg förrän man ser på dess storlek. Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt – dess diameter skulle vara cirka fem kilometer.

Föreställ dig något med en massa jämförbar med Solens, hoppackat i ett område stort som en medelstor stad. Sådana extrema densitetsförhållanden verkar endast möjliga i tiden omedelbart efter Big Bang, när materia genomgick kraftiga fasövergångar. Teoretiska beräkningar inom tidig kosmologi förutsäger objekt med just sådana parametrar.

Astronomer är också intresserade av hur sådana minisvarta hål har uppfört sig över miljarder år. Vissa kan ha slukat omgivande materia och växt, medan andra har förblivit isolerade och praktiskt taget oförändrade. Under alla omständigheter borde de idag finnas utspridda över hela universum.

Mörk materia som ett moln av minisvarta hål

Om tolkningen av signalen S251112cm som ett spår av ett primordial svart hål bekräftas, sträcker sig konsekvenserna långt bortom 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 någon del av spektrumet påverkar galaxers, galaxhopars och stora kosmiska strukturers beteende. De har kallat det mörk materia.

I årtionden har man sökt efter hypotetiska nya partiklar – från de berömda WIMP:arna till exotiska lätta bosoner. Men försök efter försök i underjordiska partikeldetektorer slutade i tystnad. I detta sammanhang har minisvarta hål börjat låta allt mer övertygande som ett alternativ. Analysen antyder att primordiala svarta hål med rätt antal och rätt massfördelning skulle kunna förklara en betydande del – eller kanske hela – den mörka materien, utan att man behöver introducera helt nya elementarpartiklar.

I detta scenario skulle universum vara fyllt av bittesmå svarta hål, diskret fördelade i galaxers haloer och det intergalaktiska rummet. I vardagen skulle de förbli praktiskt taget osynliga, men deras samlade gravitationspåverkan skulle förklara det galaxbeteende astronomer observerar. Forskare från Massachusetts Institute of Technology, National Observatory i Arizona och den japanska detektorn Kagra förbereder nu ytterligare observationskampanjer.

Forskarna håller entusiasmen i schack – det är än så länge en stark kandidat

Trots den märkbara spänningen i forskarsamhället upprätthåller vetenskapsfolket ett kritiskt avstånd. Analysen som publicerats på arXiv och skickats in till en prestigefylld tidskrift genomgår fortfarande peer review-processen. Forskarna talar direkt om en ”kandidat” till ett primordial svart hål.

Det ska fortfarande verifieras om signalen inte kan förklaras på annat sätt – exempelvis som ett resultat av komplexa växelverkan i extremt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda multipla system där en rad kollisioner och infångningar genererar komplicerade gravitationsvågor.

Hittills pekar allt på att tolkningen med det primordiala svarta hålet är den enklaste och passar bäst till data – men fysikerna behöver ett avgörande element till: upprepning. Om detektorerna i den pågående kampanjen registrerar ytterligare en liknande signal med ett objekt under Solens massa får hypotesen om primordiala svarta hål en helt annan tyngd. Forskare från Virgo-samarbetet i Frankrike samt italienska forskningscentra i Pisa och Padova förbereder redan protokoll för automatisk genomsökning av arkivdata.

Så lyssnar detektorerna LIGO, Virgo och Kagra på rumtiden

Gravitationsvågor är mikroskopiska rynkor i själva rumtidens struktur. För att fånga dem byggde forskarna gigantiska interferometrar – apparater som mäter minimala avståndsförändringar mellan speglar placerade i tunnlar flera kilometer långa.

LIGO i USA, Virgo i Italien och Kagra i Japan utgör idag ett globalt nätverk av ”öron” som lyssnar efter fjärran kosmiska katastrofer. När en gravitationsvåg passerar Jorden förkortar den försiktigt den ena armen av interferometern och förlänger den andra. Förändringen är mindre än en protons diameter, men den känsliga apparaten kan registrera den.

LIGO – två detektorer i USA som först registrerade gravitationsvågor 2015
Virgo – europeisk interferometer som ökar precisionen vid lokalisering av källor på himlen
Kagra – japansk detektor kyld till mycket låga temperaturer, byggd i en tunnel under ett berg
Detektornätverket möjliggör triangulering och exakt bestämning av signalens källposition
Varje detektor använder lasrar och spegelsystem i ultrahögt vakuum
Seismisk isolering skyddar instrumenten mot markvibrationer
Aktiva dämpningssystem kompenserar för mikrovibrationer från trafik och natur
Data behandlas av superdatorer som kan utvärdera miljontals parametrar

Tack vare samarbetet mellan dessa tre instrument kan forskarna inte bara mäta vågornas form utan också rekonstruera parametrarna för de objekt som framkallade dem: massa, avstånd och till och med rotation. Det var just denna metod som möjliggjorde konstaterandet att händelsen S251112cm involverade ett objekt med en massa under Solens. Teknologier utvecklade för LIGO har senare funnit tillämpning i optiska sensorer, precisionnavigering och medicinsk bildbehandling.

Vad är en gravitationsvåg egentligen?

I en mycket förenklad framställning kan den jämföras med en våg på vatten – men den breder inte ut sig i vatten, utan i själva rummets struktur. När enorma massor som svarta hål kretsar kring varandra och kolliderar ”rynkar” de rumtiden så intensivt att effekten av denna storm kan nå miljarder ljusår bort.

LIGO och de övriga detektorerna tar inte en bild av objektet, utan endast en exakt registrering av hur längden på interferometerns armar förändras. Utifrån denna kurva anpassar datorn den bästa kollisionsmodellen och extraherar information om de inblandade objektens massor och typer. Dataanalysmetoderna utvecklas av team från Leibniz Universität Hannover, Stanford University och Istituto Nazionale di Fisica Nucleare i Italien.

Gravitationsvågor passerar genom materia nästan utan växelverkan, till skillnad från elektromagnetisk strålning. De för därför med sig information om händelser som annars skulle förbli osynliga – exempelvis från det inre av kolliderande svarta hål eller från de första ögonblicken efter Big Bang.

Vad händer nu – jakten på fler minisvarta hål och konsekvenser för fysiken

Om tolkningen av det primordiala svarta hålet håller emot kritik kan man under de kommande åren förvänta sig en offensiv av ny forskning. Astronomer kommer att gå igenom arkivdata från tidigare LVK-kampanjer för att hitta ytterligare förbisedda signaler med objekt under Solens massa.

Samtidigt kommer teoretiker att anpassa modellerna för primordiala svarta håls bildning till de nya begränsningarna: hur ofta de kan ha uppstått, vilken typisk massa de har och om deras population verkligen kan förklara den mörka materien. Det innebär korrigeringar av scenarierna för det unga universums utveckling, inklusive faser kopplade till mycket tidiga materioomvandlingar. Forskarteam från Heidelberg Universität, University of Tokyo och Institut d’Astrophysique de Paris har redan aviserat en koordinerad satsning.

För den allmänne läsaren låter hela ämnet abstrakt, men det har förvånansvärt konkreta konsekvenser. Om mörk materia visade sig vara bara ett moln av minisvarta hål skulle det förändra planeringen av framtida rymduppdrag, prognoserna för signaler i neutrinodetektorer och utformningen av elementarpartikelexperiment. En del planerade dyra anläggningar kunde förlora sitt syfte, och istället skulle nya idéer mer fokuserade på gravitationsvågastronomi ta över.

Det skulle också påverka förståelsen av galaxers struktur, svarta håls beteende i universums tidiga faser och till och med framtida strategier för sökandet efter främmande liv – eftersom materiafördelningen påverkar planetbildningen. Varje ytterligare registrerad signal med deltagande av så små svarta hål ger en möjlighet att testa gravitationsteorin i ett extremt regime – och det kan visa var man ska leta efter ny fysik bortom den allmänna relativitetsteorin och standardmodellen för partiklar.