En signal som utmanar allt vi vet om fysik

Forskare som arbetar med detektorerna LIGO, Virgo och Kagra har registrerat en ovanlig ”skakning” i själva rumtiden. Analysen pekar på att ett objekt lättare än Solen deltog i en kosmisk kollision — alldeles för litet för att passa in i någon känd typ av svart hål.

Händelsen berättar om ett objekt som enligt dagens teorier om stjärnbildning helt enkelt inte borde finnas. Allt fler forskare talar öppet om att vi kanske har sett det första spåret av ett så kallat primordialt svart hål — skapat under universums allra första ögonblick efter Big Bang.

Signaturen S251112cm: signalen som trotsar förklaring

Vetenskapsmän i LVK-nätverket har hittills fångat dussintals gravitationsvågor. Dessa ryckningar i rumtiden uppstår vid kollisioner mellan extremt massiva objekt — vanligtvis svarta hål eller neutronstjärnor. För det erfarna internationella teamet är registrering av sådana händelser nästan rutinmässig. Men signaturen S251112cm bröt mot alla tidigare mönster.

Analysen av gravitationsvågorna avslöjade att ett av de två objekten som kolliderade hade en massa på endast 0,1 till 0,87 solmassor. Data visar med över 99 procents sannolikhet att minst ett av objekten vägde under en solmassa. Ett sådant scenario passar inte in i standardmodellerna för stjärnors livscykel.

Forskarna övervägde alla uppenbara förklaringar. En neutronstjärna? En vit dvärg? Dessa objekt kan faktiskt vara lättare än Solen. Problemet är att kollisioner mellan dem normalt också ger upphov till elektromagnetiska utbrott i form av röntgen-, optisk eller gammastrålning.

Den här gången fångade teleskopen absolut ingenting. Endast gravitationsvågor registrerades — exakt som vid en klassisk kollision mellan två svarta hål. Det mönstret är en avgörande ledtråd för astronomerna.

Forskare vid LIGO-observatorierna i Hanford och Livingston samt kollegor vid Virgo-detektorn i den italienska staden Pisa och Kagra i den japanska prefekturen Gifu genomförde en detaljerad analys av signalen. Samtliga tre stationer bekräftade att det inte rörde sig om tekniskt brus eller lokal störning, utan en äkta kosmisk händelse. Sannolikheten för ett falskt larm ligger under en procent.

Data från interferometrarna visar den karaktäristiska chirpen — en gradvis acceleration av vågfrekvensen precis innan kollisionen. Från formen på denna kurva kan fysiker härleda objektens massor, avstånd och ungefärliga position på himlen. Det var just denna metod som avslöjade att ett av objekten låg markant under den teoretiska nedre gränsen för ett stjärnbildat svart hål.

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

För att förstå varför detta utgör en så fundamental paradox måste vi se på hur klassiska svarta hål uppstår. En massiv stjärna avslutar sitt liv i en spektakulär katastrof. Kärnan kollapsar under sin egen tyngd och de yttre lagren kastas ut i en supernova. Fysiken bakom dessa kollapser sätter dock en nedre gräns för massan hos det resulterande svarta hålet.

Teorin om stellär evolution är tydlig: en vanlig stjärna kan inte skapa ett svart hål så litet som det analysen av gravitationsvågorna från S251112cm antyder. Om signalen verkligen härrör från ett miniatyrsvart hål måste det ha uppstått genom en helt annan process — oberoende av stjärnornas livscykel.

Teoretisk nedre gräns för stjärnbildade svarta hål: cirka 3 solmassor
Typiskt massintervall för stellära svarta hål: från några få till tiotusentals solmassor
Händelse S251112cm: objekt med en massa under 1 solmassa
Vita dvärgarnas massa: normalt mellan 0,6 och 1,4 solmassor
Neutronstjärnors massa: typiskt mellan 1,4 och 2,0 solmassor
Svarta hål bildade från supernovor: minimum 3 solmassor

Forskare från California Institute of Technology och kollegor från University of Amsterdam genomförde simuleringar av olika kollapsscenarier. Ingen av dem lyckades producera ett svart hål med så låg massa som LVK-data visar. Det innebär att vi måste söka efter en annan bildningsmekanism.

Om de nuvarande modellerna stämmer finns det bara en väg tillbaka: objektet måste ha uppstått inte från en stjärna, utan direkt ur täthetsfluktuationer i det tidiga universum. Det öppnar dörren till den fascinerande möjligheten att primordial svarta hål existerar.

Primordiala svarta hål: Stephen Hawkings exotiska idé

Här träder de så kallade primordial svarta hålen in på scenen — objekt som Stephen Hawking bland annat teoretiserade om redan på 1970-talet. Till skillnad från klassiska svarta hål uppstår de inte från stjärnor. Deras ursprung går tillbaka till bråkdelar av en sekund efter Big Bang.

I det ultratidiga universum rådde extrema förhållanden. Ofattbara temperaturer, densiteter och våldsamma fluktuationer i fördelningen av materia. I vissa områden kunde materia samlas så tätt att den lokala tyngdkraftens ”backe” kollapsade utan en stjärnas medverkan och omedelbart skapade ett svart hål.

Det scenario som forskarna föreslår förutsätter bildningen av objektet under en fas kopplad till kvantfärgdynamik — bara några mikrosekunder efter universums början. Det var en epok när inte ens vanliga stjärnor ännu existerade, men där materia genomgick dramatiska fasomvandlingar.

Om tolkningen är korrekt har LVK-nätverket kanske för första gången registrerat en signal från kollisionen med just ett sådant urgammalt svart hål. Det visar att gravitationsvågor håller på att bli ett verktyg inte bara för att studera exotiska stjärnor, utan även universums allra första ögonblick. Forskare från Max Planck Institute i Potsdam och CERN i Genève har redan börjat förbereda mer detaljerade analyser.

Ett miniatyrsvart hål på storleken av en stad

Vad innebär det egentligen att ett svart hål har en massa på 0,87 solmassor? Siffran verkar inte dramatiskt låg — tills man ser på dess dimensioner. Ett sådant objekt skulle vara extremt kompakt, med en diameter på cirka 5 kilometer.

Det motsvarar något med en massa jämförbar med Solens, pressad ned i ett område på storleken av en medelstor stad. Så extrema densiteter verkar bara möjliga i tiderna kort efter Big Bang, när materia genomgick våldsamma fasomvandlingar. Till jämförelse har vår Sol en diameter på omkring 1,4 miljoner kilometer.

Föreställ dig att du pressar all Solens massa in i en kula mindre än Stockholm. Ett sådant objekt skulle skapa ett gravitationsfält så kraftfullt att inte ens ljus kan fly. Dess Schwarzschildradie skulle i praktiken bara vara de fem kilometerna — men dess gravitationella inflytande skulle vara enormt.

Fysiker från Princeton University har beräknat att densiteten i ett sådant objekt skulle nå värden jämförbara med atomkärnornas densitet, men fördelat över en markant större volym. Det är förhållanden man helt enkelt inte hittar i dagens universum — såvida man inte tittar in i kärnan av en neutronstjärna eller just ett svart hål.

Mörk materia: är den mystiska massan egentligen en svärm av minihål?

Om tolkningen av S251112cm som ett spår av ett primordialt svart hål bekräftas kommer konsekvenserna att sträcka sig långt utöver klassificeringen av ett exotiskt objekt. Frågan om mörk materias natur träder in i bilden.

Astronomer har i årtionden vetat att synlig materia — stjärnor, gas, damm — bara utgör en liten del av det kosmiska pusslet. En ytterligare massa påverkar galaxers, galaxhopars och de stora kosmiska strukturernas beteende, utan att den kan ses i någon del av det elektromagnetiska spektrumet. De kallade det mörk materia.

I årtionden har man sökt efter hypotetiska nya partiklar. Från de berömda WIMParna över exotiska lätta bosoner till axioner. Upprepade experiment i underjordiska partikeldektorer i laboratorier som Gran Sasso i Italien och Soudan i Minnesota slutade dock i tystnad. I detta sammanhang har miniatyrsvarta hål börjat låta som ett allt mer övertygande alternativ.

Analysen antyder att primordiala svarta hål — vid rätt antal och rätt massfördelning — potentiellt skulle kunna förklara en betydande del, möjligen all, mörk materia, utan att det krävs införande av helt nya elementarpartiklar. I detta scenario skulle universum vara fyllt med småsmå svarta hål utspridda diskret i galaxernas halor och i rymden mellan galaxhoparna.

Forskare från University of California i Berkeley och Kavli Institute for Cosmological Physics i Chicago har skapat datormodeller över fördelningen av primordiala svarta hål. Simuleringarna visar att dessa objekt vid rätt densitet och massfördelning skulle kunna replikera de gravitationseffekter som tillskrivs mörk materia nästan perfekt.

I vardagen skulle de vara praktiskt taget osynliga, men deras samlade gravitationella inflytande skulle förklara det galaxbeteende astronomerna observerar. Det skulle fundamentalt förändra vår förståelse av universums struktur och möjligen även riktningen för framtida forskning inom partikelfysik.

Forskarna dämpar entusiasmen: tills vidare bara en stark kandidat

Trots den markanta entusiasmen i forskarvärlden håller vetenskapsmännen fortfarande ett professionellt avstånd. Analysen, som publicerats på servern arXiv och skickats in till den prestigefyllda tidskriften The Astrophysical Journal Letters, genomgår fortfarande peer review-processen. Forskarna talar direkt om en ”kandidat” till ett primordialt svart hål.

Det återstår att undersöka om signalen inte kan förklaras annorlunda — till exempel som effekten av komplexa växelverkningar i extremt täta stjärnhopar. I sådana miljöer kan kretsande objekt bilda komplexa system, där en serie kollisioner och infångningar genererar komplicerade gravitationsvågor.

Forskare från Massachusetts Institute of Technology i Cambridge och European Southern Observatory i Garching bedömer tills vidare att tolkningen med ett primordialt svart hål är den enklaste och bäst understödda av data. Fysikerna saknar dock fortfarande ett avgörande element: upprepning.

Om LVK-detektorerna under den pågående observationskampanjen registrerar ännu en liknande signal med ett objekt under Solens massa kommer hypotesen om primordiala svarta hål att få en helt annan tyngd. Från en teoretisk kuriositet skulle den förvandlas till en ny kategori av verkliga kosmiska objekt med konsekvenser för hela kosmologin.

Så fungerar LIGO, Virgo och Kagra — ”öronen” som lyssnar på rumtiden

Gravitationsvågor är mikroskopiska skakningar i själva rumtidens struktur. För att registrera dem har forskare byggt gigantiska interferometrar — apparater som mäter minimala avståndsförändringar mellan speglar placerade i tunnlar på flera kilometers längd.

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

LIGO Hanford i delstaten Washington: armar på 4 kilometers längd
LIGO Livingston i Louisiana: identisk konfiguration som Hanford
Virgo vid Pisa i Italien: armar på 3 kilometers längd, förbättrar precisionen vid lokalisering av källor
Kagra i prefekturen Gifu i Japan: underjordisk detektor nedkyld till mycket låga temperaturer
Lasersystem: effekt upp till 200 watt för maximal känslighet
Speglar: upp till 40 kilogram kvartsglas med ultraren yta
Vakuumtunnlar: tryck lägre än på månens yta för att eliminera störningar
Seismisk isolering: flerskiktade upphängningssystem dämpar vibrationer med upp till sex storleksordningar

Tack vare samarbetet mellan dessa tre instrument kan forskare inte bara mäta vågornas form, utan även rekonstruera de inblandade objektens parametrar: massa, avstånd och till och med rotation. Det var just denna metod som möjliggjorde upptäckten att händelsen S251112cm involverade ett objekt under Solens massa.

När enorma massor som svarta hål kretsar kring varandra och kolliderar ”rör de om i” rumtiden så intensivt att effekten av denna storm når fram miljarder ljusår bort. LIGO och de övriga detektorerna registrerar inte en bild av objektet — endast den exakta registreringen av hur längden på interferometerns armar förändras.

Ur denna kurva anpassar en dator den bästa kollisionsmodellen och extraherar information om massorna och typen av de inblandade objekten. Processen kräver superdatorer vid National Center for Supercomputing Applications i Urbana-Champaign samt ytterligare beräkningscentra över hela världen.

Vad händer nu: jakten på fler minihål och konsekvenserna för fysiken

Om tolkningen med ett primordialt svart hål överlever kritiken kan man under de kommande åren förvänta sig en offensiv av nya studier. Astronomer kommer att söka igenom arkiv från tidigare LVK-kampanjer för att hitta ytterligare, förbisedda signaler med objekt under Solens massa.

Parallellt kommer teoretiker att börja anpassa modellerna för primordiala svarta håls bildning till de nya begränsningarna. Hur ofta kunde de uppstå? Vilken typisk massa antar de? Kan deras population verkligen förklara mörk materia? Det innebär korrigering av scenarierna för det tidiga universums utveckling, inklusive faserna kopplade till mycket tidiga omvandlingar av materia.

För icke-specialister låter hela ämnet abstrakt, men det har överraskande konkreta konsekvenser. Skulle mörk materia visa sig bara vara ett moln av miniatyrsvarta hål skulle det förändra sättet framtida rymduppdrag planeras på. Det skulle påverka prognoserna för signaler i neutrinodetektorer som IceCube på Sydpolen eller projektet KM3NeT i Medelhavet.

En del planerade kostsamma installationer kunde förlora sitt syfte, och på deras plats skulle nya idéer uppstå — med större fokus på gravitationsvågastronomi. Den Europeiska Rymdorganisationen ESA förbereder redan uppdraget LISA, en rymdbaserad interferometer som förväntas bli mer känslig än de markbaserade detektorerna.

För dem som följer detta område är det värt att precisera ett par begrepp. Mörk materia ”suger” inte energi från stjärnor och utgör inte heller något direkt hot mot jorden. Dess inverkan är praktiskt taget uteslutande gravitationell. Om den består av miniatyrsvarta hål förblir deras densitet i vår närhet så låg att sannolikheten för ett nära möte med ett av dem är försvinnande liten mätt över hela mänsklighetens historia.

Varje ny registrerad signal med deltagande av så små svarta hål ger möjlighet att testa gravitationsteorin under extrema förhållanden. Det kan peka på var man ska söka efter ny fysik bortom den allmänna relativitetsteorin och standardmodellen för partiklar. I praktiken är det just av sådana till synes hermetiska undersökningar som teknologier ofta uppstår, som år senare hittar vägen till vardagslivet — från satellitnavigering med GPS till avancerade metoder för medicinsk bildframställning med magnetisk resonans. Alla har de rötter i grundforskning som ursprungligen liknade ren teori utan praktisk användning.