Astrofysiker har fångat något extraordinärt

Amerikanska astrofysiker har registrerat en gravitationsvåg från ett objekt som enligt preliminära analyser uppstod under universums allra första sekund efter Big Bang. Det bör väga mindre än solen – vilket strider mot allt vi vet om vanliga svarta hål.

Om tolkningen bekräftas skulle det vara det första spåret av ett primordalt svart hål – en relikt från tiden då inga stjärnor ännu fanns. Dessutom skulle det delvis kunna förklara vad mörk materia egentligen består av.

Forskarna Alberto Magaraggia och Nico Cappelluti från University of Miami analyserade data från detektorn LIGO och visade att signalen benämnd S251112cm har egenskaper som bäst överensstämmer med just ett primordalt svart hål. Detta objekt kolliderade med en annan kropp och skapade de gravitationsvågor vi registrerade. För att tala om ett verkligt genombrott krävs minst ett par liknande signaler – men redan möjligheten att registrera så exotiska objekt öppnar ett nytt kapitel i astronomin.

Så uppstår ett svart hål som inte behöver en stjärna

Det klassiska förloppet för bildandet av ett svart hål känner du från fysikböckerna. En massiv stjärna kollapsar under sin egen tyngd mot slutet av sitt liv, exploderar som en supernova och dess kärna omvandlas till ett svart hål. Ett sådant objekt har vanligtvis från några få till några tiotal solmassor.

Med den nya signalen är historien en annan. Det objekt som kolliderade med en annan kropp och framkallade de registrerade gravitationsvågorna har en massa markant lägre än solens. Teoretiskt sett borde det inte alls existera – såvida det inte uppstod från en stjärna utan på ett helt annat sätt.

En möjlig förklaring är just ett primordalt svart hål som uppstod under extrema förhållanden kort efter Big Bang – innan de första stjärnorna överhuvudtaget hade bildats. Sådana objekt är kosmiska fossiler från universums första sekund.

Enligt teoretiska modeller kan de ha uppstått från mycket täta klumpar av subatomär materia i ett hett och ovanligt snabbt expanderande rum. De krävde ingen stjärna, ingen supernovaexplosion – bara ren, extrem täthet.

Varför massan gör den avgörande skillnaden här

Vanliga svarta hål som astronomer observerar faller inom två typiska masskategorier. Den första gruppen består av objekt med från några få till tiotal solmassor – kvarlåtenskaper från massiva stjärnor. Den andra gruppen är supermassiva svarta hål i galaktiska centra med miljoner till miljarder solmassor.

Det objekt som den nya signalen antyder ligger markant under den nedre gränsen för dessa kända fall. Det utesluter praktiskt taget det klassiska stjärnförloppet och för in konceptet om primordala svarta hål i spelet.

Astrofysikerna jämförde den förväntade förekomstfrekvensen av sådana objekt med de faktiska data från LIGO som samlats in sedan 2015. Signalens sällsynthet stämmer väl överens med de teoretiska modellerna för primordala svarta hål. Med andra ord – den dyker upp precis så sporadiskt som den borde om dessa objekt verkligen existerar.

Forskarna undersökte också om en annan typ av kompakt objekt – exempelvis en neutronstjärna – kunde ha en motsvarande låg massa. Signalens karakteristika pekar dock tydligt på en kollisionshändelse som snarare motsvarar ett svart hål än en neutronstjärna.

Så lyssnar LIGO på universum via gravitationsvågor

Bakom hela upptäckten står LIGO – det amerikanska gravitationsvågsobservatoriet som mäter mikroskopiska skakningar i rymden som uppstår vid sammanstötningar mellan extremt massiva objekt. År 2015 registrerade LIGO för första gången en signal från en kollision mellan svarta hål, vilket ledde till Nobelpriset och en revolution inom astronomin.

Nu fångar samma instrument något långt mer subtilt. Signalen S251112cm kännetecknas av en objektmassa som inte lätt låter sig placeras i kända kategorier. Magaraggia och Cappelluti analyserade data och pekar på ett primordalt svart hål som den mest övertygande förklaringen.

LIGO har visat att det inte bara kan registrera spektakulära kollisioner mellan massiva svarta hål utan också spåra långt lättare och mer exotiska objekt dolda i databruset. Detektorerna använder laserinterferometrar med armar på fyra kilometers längd, placerade i Hanford i delstaten Washington och i Livingston i Louisiana.

En kollision avgör naturligtvis inte saken. En sådan signal kan ha alternativa tolkningar och astrofysiker är kända för sin försiktighet. Därför erkänner forskarna öppet att de behöver flera – helst ett dussin – liknande händelser för att uppnå solid bekräftelse. Ändå är själva faktum att instrumenten överhuvudtaget når en sådan känslighet i sig ett genombrott.

Är primordala svarta hål universums dolda materia?

Men historien stannar inte här. Om signalen verkligen härrör från ett primordalt svart hål berör vi ett problem som fysiker kämpat med i årtionden – den så kallade mörka materian.

Observationer av stjärnors och galaxers rörelser visar att det saknas en enorm mängd massa i universum. Allt vi kan se – stjärnor, planeter, gas, damm – utgör bara omkring femton procent av vad som är nödvändigt för att förklara universums gravitationsbeteende. Resten består av osynlig materia som varken lyser eller reflekterar ljus men utövar gravitationell dragningskraft.

En hypotes hävdar att en betydande del av denna saknade massa kunde utgöras av just primordala svarta hål, utspridda i rymden som mikroskopiska, osynliga ”tyngdkulor”. Om LIGO faktiskt har börjat registrera sådana objekt är det inte bara en kuriositet.

Forskarna får ett verktyg för att räkna dessa hål och uppskatta deras sammanlagda massa. Varje ny händelse kommer att hjälpa till att besvara frågan om primordala svarta hål kan bringas i överensstämmelse med observationer av galaxer, stjärnhopar eller den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.

Vissa teoretiker varnar dock för att om primordala svarta hål utgjorde all mörk materia borde vi se markant mer gravitationslinseffekt – ljusets böjning runt sådana objekt. Det är ännu inte bekräftat, så realistiskt sett kan de möjligen bara utgöra en bråkdel av den mörka materian.

Vad LISA och nästa generations detektorer kan bidra med

LIGO är inte det enda instrumentet på horisonten. Europeiska rymdorganisationen utvecklar projektet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – en rymdbaserad gravitationsvågsdetektor. Tre satelliter ska bilda en gigantisk triangelformad interferometer i omloppsbana runt 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 helt nya typer av källor. För primordala svarta hål kan det bli ett genombrott – vissa av dem, särskilt de i par, kan generera vågor som passar idealiskt för den rymdbaserade interferometerns känslighet.

LIGO detekterar frekvensområdet från tiotal till tusentals hertz, lämpligt för kollisioner mellan stjärnornas svarta hål
LISA kommer att fånga millihertz-området, motsvarande mer massiva och fjärmare objekt
Einstein Telescope i Europa förväntas börja fungera inom de närmaste femton åren med tio gånger högre känslighet
Cosmic Explorer i USA föreslår armar på fyrtio kilometers längd istället för de nuvarande fyra
Den japanska detektorn KAGRA är redan i drift och tillför en tredje kontinent till observatorienätverket
Pulsar timing array övervakar millisekundpulsarer och letar efter gravitationsvågor med en period på år

Så föreställer man sig ett svart hål lättare än solen

Ett svart hål lättare än solen låter lite abstrakt, så låt oss förankra det i något mer konkret. Om det existerade ett primordalt svart hål med massan av exempelvis en större asteroid skulle det ha en storlek nära en fotboll – kanske till och med mindre. Och ändå skulle dess tyngdkraft överträffa tyngdkraften från ett helt berg, och nära händelsehorisonten skulle inte ens en ljusstråle undkomma.

Sådana objekt är praktiskt taget omöjliga att upptäcka med klassiska teleskop. De lyser inte, reflekterar inte ljus och avslöjar sig ibland bara genom att böja ljusstrålar som passerar bakom dem – eller, som i detta fall, genom att utsända gravitationsvågor vid kollision med annan materia.

Forskarna uppskattar att det i vår galax kunde existera miljoner till miljarder av sådana miniatyrsvarta hål, om de överhuvudtaget finns. Att identifiera dem individuellt är nästan omöjligt, men deras kollektiva effekt på stjärnrörelser och kosmisk strålning kunde vara mätbar.

Vad en atypisk upptäckt förändrar för framtida forskning

Även om signalen S251112cm kräver bekräftelse påverkar den redan sättet forskarna planerar kommande studier på. Man har börjat gå igenom arkivdata och leta efter liknande, tidigare förbisedda händelser. Teoretiska team finjusterar modeller som förutsäger exakt hur kollisioner mellan primordala svarta hål med olika massa bör se ut.

För oss som vanliga iakttagare visar hela historien hur snabbt astronomin förändras. För bara tio år sedan var gravitationsvågor enbart ett koncept från Einsteins ekvationer. I dag håller de på att bli ett verktyg för att undersöka de mest otillgängliga epokerna i universums historia – dem inget optiskt eller radioteleskop kan visa.

Om de kommande åren för med sig 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 kataloger över objekt med beskrivna massor, kollisionsfrekvenser och inflytande på galaxernas utveckling. Och då kommer frågor om begynnelsen på allt som omger oss börja ha långt mer numeriska och beräkningsbara svar. Kanske får vi snart veta om fossiler från universums första sekund verkligen existerar – och vad de kan berätta för oss om verklighetens struktur.