En mystisk signal från kollisionen som vände astrofysiken upp och ner

Gravitationsvågor har registrerat en kollision där ett av objekten väger mindre än solen. Ett svart hål så litet kan omöjligen uppstå genom en stjärnas kollaps – och detta har lett forskare fram till en häpnadsväckande slutsats: det kan ha bildats bara mikrosekunder efter Big Bang.

När forskare från samarbetet LIGO–Virgo–Kagra granskade signalen kallad S251112cm stötte de på något oförklarligt. Ett av de två kolliderande objekten vägde mindre än solen. Det ger helt enkelt ingen mening inom klassisk astrofysik. Enligt kända modeller för stjärnornas utveckling kan ett så lätt svart hål inte existera – och just därför talar en del av forskarna nu om det första möjliga beviset på ett primordialt svart hål, skapat kort efter Big Bang.

Denna händelse kan omskriva hela kapitel i kosmologins läroböcker. Om tolkningen bekräftas får vi ett mätverktyg för att utforska universums tidigaste faser, som hittills har varit otillgängliga för direkt observation. Forskarna Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia från italienska universitet har publicerat en analys som antyder att det observerade objektet uppstod i den kvantkromodynamiska eran – bara ett par mikrosekunder efter Big Bang.

Gravitationsvågastronomi öppnade ett nytt fönster mot universum för bara några år sedan. I dag fångar detektorerna dussintals kollisioner per år, och varje ny signal kan medföra överraskningar på nivå med S251112cm. Vi lever bokstavligen i en tid där de grundläggande frågorna om universums ursprung rör sig från ren spekulation till mätbara data.

Vad avslöjade den ovanliga gravitationsvågssignalen?

Allt börjar med en rutindetektering från observatorienätverket LIGO, Virgo och den japanska detektorn Kagra. Dessa enorma interferometrar mäter mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar, orsakade av gravitationsvågor som passerar genom jorden. De flesta sådana signaler kommer från kollisioner mellan svarta hål på flera solmassor.

Den här gången visade analysen av S251112cm något exceptionellt. Ett av de två fusionderande objekten hade en massa på cirka en tiondel till knappt en solmassa. Ett så lätt objekt passar överhuvudtaget inte in i ramarna för kända stjärnevolutionsprocesser.

Forskarna kontrollerade genast de traditionella förklaringarna. Om signalen kom från en kollision mellan neutronstjärnor eller vita dvärgar borde vi ha registrerat ett ljusspår – i form av gammastrålning, röntgenstrålar eller åtminstone synligt ljus. Sökningen efter en åtföljande ljusblixt gav inget resultat. Därmed återstod ett mycket mer exotiskt scenario.

Forskarna i samarbetet understryker att sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent. Detta statistiska tal ger hypotesen om ett primordialt svart hål en solid grund – om än inte en slutgiltig bekräftelse.

Hur kan ett svart hål väga mindre än solen?

Objekt med en massa nära solens, som vi känner från astronomiska kataloger, är typiskt mycket täta neutronstjärnor. Ett klassiskt svart hål bildat genom en massiv stjärnas kollaps är betydligt tyngre – enligt nuvarande modeller måste det minst väga omkring tre solmassor. För ett objekt med en massa på cirka 0,87 solmassa motsvarar dimensionerna en större svensk stad.

Diametern på en sådan rumtidsfälla skulle vara omkring fem kilometer. Det är en sträcka man lugnt kan springa på en halvtimme – och här talar vi om att packa nästan hela solens massa i den storleken. För att skapa något så extremt krävs förhållanden som ingen känd process inuti stjärnor kan leverera.

Astrofysiker påpekar att klassisk stjärnfysik inte ger möjlighet att bilda ett svart hål med så låg massa genom kärnkollaps. Stjärnor med för låg massa slutar som vita dvärgar, medan tyngre stjärnor bildar neutronstjärnor eller svarta hål med över tre solmassor. Ett objekt som S251112cm passar inte in i denna ordning.

Dr. Lisa Barsotti från MIT, som är medlem av LIGO-teamet, noterar att detektorerna har en känslighet som gör det möjligt att registrera förändringar mindre än en tusendel av en protons diameter. Just denna tekniska precision hos interferometrarna i LIGO i Hanford och Livingston samt detektorn Virgo nära Pisa öppnar vägen för upptäckter av objekt som faller utanför de kända katalogerna.

Spår från universums första mikrosekunder efter Big Bang

Författarna bakom den nya analysen, Nico Cappelluti och Alberto Magaraggia, riktar därför blicken långt tillbaka i tiden – till en tidpunkt då universum var mindre än en miljondels sekund gammalt. Under denna period beter sig materia helt annorlunda än i dag: den så kallade kvark-gluon-plasman dominerade, och tätheter och temperaturer var ofattbara.

Redan på 1970-talet förutsåg teoretiska fysiker – däribland Stephen Hawking – att lokala täthetsfluktuationer i en sådan miljö kunde kollapsa under egen gravitation och skapa hela populationer av miniatyrsvarta hål. De fick beteckningen primordala svarta hål. Teamet föreslår att det analyserade objektet kan ha uppstått precis i den era som är kopplad till kvantkromodynamikens fysik, bara mikrosekunder efter Big Bang.

Om detta scenario är korrekt skulle S251112cm utgöra det första påtagliga beviset på att sådana kroppar faktiskt har överlevt fram till i dag. Det skulle betyda att universum redan i sina första ögonblick började producera svarta hål i en mängd som hittills endast har diskuterats i ekvationer. Professor Bernard Carr från Queen Mary University of London är en av pionjärerna bakom hypotesen om primordala svarta hål, och enligt honom skulle denna upptäckt bekräfta årtionden av teoretiskt arbete.

Forskarna använder i dag data från fyra observationskörningar med detektorerna. Varje år ökar känsligheten, och därmed växer chansen att fånga ytterligare liknande händelser. För kosmologer skulle en serie bekräftade sub-solmassa svarta hål öppna ett fönster till en period i universum som ligger före rekombinationseran och bildandet av den kosmiska bakgrundsstrålningen.

Kan mörk materia vara ett hav av primordala svarta hål?

Pusslet blir ännu mer fascinerande när forskarna kopplar denna kandidat till ett primordialt svart hål med problemet om mörk materia. I årtionden har vi vetat att synlig materia – stjärnor, gas, damm – endast utgör en blygsam del av universums totala massa. Cirka 85 procent är en osynlig komponent som endast manifesterar sig genom gravitation.

Många grupper har hittills sökt efter partiklar ansvariga för denna saknade komponent, exempelvis WIMP-partiklar i underjordiska laboratorier. Jakten har ännu inte gett ett entydigt resultat, vilket har banat väg för alternativa idéer. Om primordala svarta hål existerar i tillräckligt antal och med rätt massfördelning kan de utgöra en betydande del – kanske hela – av den mörka materien.

Den nya analysen antyder att det detekterade objektet passar in i ett sådant scenario. Massasignaturen stämmer överens med förutsägelserna från vissa modeller för populationer av primordala svarta hål. I denna vision är mörk materia inte exotiska partiklar vi ännu inte kan mäta, utan otaliga svarta hål spridda över hela universum sedan dess tidigaste faser.

Forskarteamet från Milano och Rom har använt simuleringar av strukturbildning i universum. Resultaten visar att en population av sub-solmassa svarta hål potentiellt kan förklara den observerade massfördelningen i galaxer utan att behöva införa nya fundamentala partiklar. Dr. Juan García-Bellido från Universidad Autónoma de Madrid har publicerat en undersökning som modellerar primordala svarta hål av varierande massa och deras bidrag till den totala mörka materien.

Sannolikheten för en massa under en solmassa överstiger 99 procent
Diametern på ett sådant svart hål är cirka fem kilometer
Objektet sände inte ut något ljusspår vid kollisionen
Neutronstjärnor och vita dvärgar skulle ha lämnat en elektromagnetisk signal
Detektorerna LIGO och Virgo mäter förändringar mindre än en tusendel av en protons diameter
Kvark-gluon-plasma dominerade universum under de första mikrosekunderna
Stephen Hawking förutsåg primordala svarta hål redan 1974
Mörk materia utgör cirka 85 procent av universums totala massa

Så här fungerar en gravitationsvågsdetektor

För att förstå vikten av den aktuella signalen är det nyttigt att veta vad LIGO och Virgo egentligen mäter. Det handlar om anläggningar där en laserstråle löper i två vinkelräta armar och reflekteras från speglar placerade flera kilometer från varandra. När en gravitationsvåg passerar detektorn komprimerar den den ena axeln något och sträcker den andra.

Förändringen i armlängd är mindre än en bråkdel av en protons diameter, men avancerad interferometriteknik gör det möjligt att fånga den. Utifrån formen på det registrerade gravitationsvåg-”kvittret” kan forskarna avläsa massorna, avståndet och typen av de kolliderande objekten. I fallet S251112cm satte sig alla dessa element ihop till en bild av ett system där en av parterna har en ovanligt låg massa.

Signalens varaktighet berättar om parrets massor, amplituden översätts till källans avstånd, den slutliga frekvensen ger möjlighet att uppskatta massan av det bildade objektet, och frånvaron av en ljussignal hjälper till att utesluta neutronstjärnor. Just denna detalj väckte så stort intresse bland astrofysiker över hela världen.

Forskare från LIGO-laboratoriet i Hanford i delstaten Washington och deras kolleger från Virgo-observatoriet nära Pisa koordinerar analysen av data från de fyra hittillsvarande observationskörningarna. Den japanska detektorn Kagra nära staden Hida anslöt sig i den senaste körningen och förbättrar precisionen av källokalisering på himlen.

Vad skulle en bekräftelse av primordala svarta hål förändra?

Om ytterligare observationer stödjer tolkningen från Cappelluti och Magaraggia väntar en rad långtgående konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett verktyg för att studera ultratidiga epoker – långt tidigare än den period varifrån den kosmiska bakgrundsstrålningen härstammar. Primordala svarta hål skulle fungera som sonder som minns förhållandena i universums första mikrosekunder.

Teorin om galaxbildning skulle likaså kräva justeringar. En ytterligare population av täta kompakta objekt förändrar det sätt på vilket massa samlas, hur haloer av mörk materia växer, och hur de första stjärnorna bildas. För partikelfysiker är det också en viktig signal om att jakten på exotiska partiklar möjligen har ett smalare spelrum om svarta hål spelar en dominerande roll.

En andra eller tredje signal med jämförbara parametrar skulle kunna förvandla en intrigerande hypotes till ett nytt kapitel i kosmologin. Professor Tomasz Bulik från Warszawas universitet noterar att den statistiska signifikansen av ett enda fall är intressant, men att en serie liknande detektioner skulle utgöra en revolution i vår förståelse av det tidiga universum.

För att göra det åskådligt: föreställ dig en gryta med kokande soppa där bubblor konstant stiger och sjunker. I det mycket tidiga universum var sådana ”bubblor” förtätningar av materia. De flesta upplöstes i takt med att universum expanderade – men några var så täta att de kollapsade under egen gravitation och bildade svarta hål. Under de efterföljande miljarderna av år kretsade dessa objekt nästan osynligt mellan och inom galaxer och stötte ihop med varandra då och då. Det är just vid sådana sällsynta kollisioner som gravitationsvågor sänds ut, som jordbaserade detektorer i dag kan fånga.