En ovanlig gravitationsvågssignal väcker stora frågor

En märklig signal från gravitationsvågsdetektorer har avslöjat ett objekt med en massa som är mindre än solens — något som klassisk astrofysik anser vara omöjligt. Forskare från samarbetet LIGO–Virgo–Kagra har stött på ett spår som potentiellt kan skriva om kosmologins läroböcker.

Data från gravitationsvågsdetektorerna pekar på ett objekt så lätt att det inte passar in i några kända modeller för bildandet av stellära svarta hål. Det internationella samarbetet LIGO–Virgo–Kagra analyserade registreringen av en kollision mellan två kompakta objekt, betecknat S251112cm. När forskarna lade samman massorna hos de två kollisionsparterna visade det sig att det ena objektet väger mindre än solen. Enligt klassisk astrofysik borde ett sådant svart hål helt enkelt inte existera. Just därför talar en del av forskarna nu om att vi kanske bevittnar det första historiskt dokumenterade spåret efter ett så kallat ursprungligt svart hål — uppstått omedelbart efter Big Bang.

Denna upptäckt kan fundamentalt förändra vår förståelse av det tidiga universum och av den mystiska mörka materian. Om det bekräftas att liknande objekt finns i större antal får vi ett unikt verktyg för att undersöka universums första mikrosekunder. Gravitationsvågsdetektorer skulle därmed kunna avslöja epoker som är otillgängliga för någon annan observationsmetod.

Forskarna spekulerar dessutom i att dessa urgamla svarta hål kanske utgör en väsentlig del — eller till och med hela — den mörka materian, som hittills ingen har kunnat identifiera direkt. I stället för exotiska partiklar kunde det visa sig att universums osynliga grundval består av otaliga miniatyrsVarta hål spridda över hela kosmos sedan tidernas begynnelse.

Så här förde gravitationsvågor ett kosmiskt mysterium

Allt börjar med det som liknade en rutinmässig registrering av gravitationsvågor via nätverket av detektorer LIGO, Virgo och japanska Kagra. Dessa gigantiska interferometrar mäter mikroskopiska förändringar i avståndet mellan speglar orsakade av gravitationsvågor som passerar genom jorden. De flesta sådana signaler kommer från sammanstötningar mellan svarta hål med tiotals solmassor.

Den här gången avslöjade analysen av händelsen S251112cm något helt exceptionellt. Ett av de två sammansmälta objekten har en massa på mellan cirka en tiondedel och knappt en solmassa. Ett så lätt svart hål passar inte in i ramarna för kända processer inom stjärnornas utveckling — och det är en allvarlig signal om att vi har att göra med en helt annan bildningsmekanism.

Forskarna undersökte genast mer traditionella förklaringar. Om signalen kom från en kollision mellan neutronstjärnor eller vita dvärgar borde det ha lämnat synliga spår i form av ljus — gammastrålning, röntgenstrålning eller åtminstone optisk strålning. Sökandet efter en medföljande ljusblixt gav emellertid inget resultat, och det långt mer exotiska scenariot förblev därmed på bordet.

Några astrofysiker framhåller att frånvaron av en ljussignal är avgörande. Dr. Nico Cappelluti och hans kollega Alberto Magaraggia understryker att just denna detalj pekar på objekt som inte innehåller vanlig materia, som kunde explodera eller utsända strålning.

Ett svart hål mindre än en svensk småstad

Objekt med en massa nära solens, som vi känner från astronomiska kataloger, är för det mesta mycket täta neutronstjärnor. Ett typiskt svart hål som bildas vid kollaps av en massiv stjärna är långt tyngre — enligt nuvarande modeller måste det minst ha omkring tre solmassor. För ett objekt med en massa på cirka 0,87 solmassa ger beräkningarna dimensioner som är jämförbara med en mellanstor stad.

Diametern av en sådan rumtidsfälla skulle vara cirka fem kilometer — en distans man lätt kan tillryggalägga till fots på en halvtimme. Och ändå talar vi om att koncentrera nästan hela solens massa inom denna skala. För att skapa något så extremt krävs betingelser som inga kända processer i stjärnor kan leverera.

Astrofysiker understryker att klassisk stjärnutvecklings fysik inte tillåter bildandet av ett svart hål med så låg massa via enkelt kollaps av en stjärnkärna. Stjärnor med för låg massa kan helt enkelt inte generera tillräckligt tryck för att kollapsa till ett svart hål — de slutar som vita dvärgar eller neutronstjärnor, inte som svarta hål.

Objektets diameter är cirka fem kilometer
Massan ligger mellan 0,1 och 0,87 solmassa
Klassisk stjärnevolution kräver minst tre solmassor
Tätheten överskrider varje jordiskt material miljarder av miljarder gånger
Inga kända processer i stjärnor kan skapa detta
Objektet innehåller ingen lysande, vanlig materia

Några forskare jämför tätheten hos ett sådant objekt med att komprimera hela Stockholms befolkning ned i en liten kula. Det är betingelser som helt enkelt inte förekommer i det ordinära universum.

Ett spår från de första mikrosekunderna efter Big Bang

Därför riktar författarna av den nya analysen blicken långt tillbaka i tiden — till den period då universum var yngre än en miljondels sekund. I denna era uppför sig materia radikalt annorlunda än idag: den så kallade kvark-gluon-plasman dominerar, och tätheter såväl som temperaturer är obegripliga. Redan på 1970-talet förutsade teoretiska fysiker, däribland Stephen Hawking, att lokala täthetsvariationer i en sådan miljö kunde kollapsa under egen tyngdkraft.

Resultatet skulle vara en hel population av miniatyrsVarta hål — de så kallade ursprungliga svarta hålen eller primordiala svarta hålen. Teamet antyder att det analyserade objektet kan ha uppstått i den era som är förknippad med kvantkromodynamikens fysik, ett par mikrosekunder efter Big Bang. Om detta scenario är korrekt skulle signalen S251112cm vara det första påtagliga indikationen på att sådana strukturer faktiskt har överlevt till våra dagar.

Det betyder att universum redan i sina allra första ögonblick började producera svarta hål i mängder som hittills endast har nämnts i ekvationer. Forskare vid LIGO-observatoriet i den amerikanska delstaten Louisiana och vid detektorn Virgo i italienska Pisa har gemensamt bekräftat att signalets statistiska signifikans är hög. Sannolikheten för att det rör sig om slumpmässigt brus är lägre än en procent.

Forskarna påpekar att en sådan upptäckt skulle ge oss möjlighet att titta in i epoker som är fullständigt otillgängliga för andra observationsmetoder. Den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen kommer från en tid cirka 300 000 år efter Big Bang. Primordiala svarta hål skulle däremot bära information från långt tidigare tider.

Är mörk materia ett hav av miniatyrsVarta hål?

Pusslet blir ännu mer fascinerande när forskarna kopplar denna kandidat till ett primordialt svart hål med problemet om den så kallade mörka materian. Det har i årtionden varit känt att synlig materia — stjärnor, gas och damm — endast utgör en liten andel av universums totala massbudget. Cirka 85 procent utgörs av en osynlig komponent som endast manifesterar sig via tyngdkraft.

Många grupper har hittills sökt efter partiklar ansvariga för denna saknade del, till exempel de så kallade WIMP:arna registrerade i underjordiska detektorer. Denna sökning har ännu inte burit entydiga frukter, vilket har öppnat vägen för alternativa idéer. Om primordiala svarta hål existerar i tillräckligt antal och med rätt massfördelning kan de utgöra en väsentlig del — eller till och med hela — den mörka materian.

Den nya analysen antyder att det detekterade objektet passar till ett sådant scenario. Massignaturen stämmer överens med förutsägelserna från vissa modeller för populationen av primordiala svarta hål. I denna vision är mörk materia inte en exotisk partikel vi inte kan spåra, utan snarare otaliga svarta hål spridda över hela kosmos sedan de tidigaste epokerna.

Detta tillvägagångssätt förklarar också andra gåtor. Forskare från Yale University och från det tyska Max Planck-institutet för astrofysik i Garching har i åratal beräknat hur galaktiska strukturer skulle utvecklas om mörk materia bestod av kompakta objekt i stället för partiklar. Resultaten visar att en sådan fördelning kan förklara de observerade formerna för galaxer samt stjärnornas hastigheter.

Signalen är lovande, men ännu inte avgörande

Trots entusiasmen håller en del av forskarsamhället emotionerna i schack. Uppskattningarna säger 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 flera objekt i täta stjärnhopar, som kan generera ovanliga signaler.

Teamet betecknar därför tillsvidare objektet som en ”kandidat” till ett primordialt svart hål. För att röra sig från antydning till en solid slutsats behöver fysikerna flera liknande händelser. Den pågående observationskampanjen från LVK-nätverket spelar en central roll här — detektorernas känslighet ökar löpande, och chansen för ytterligare registreringar växer år för år.

En andra, tredje signal med jämförbara parametrar kunde förvandla en fascinerande hypotes till ett nytt kapitel i kosmologin. Om flera oberoende händelser bekräftar existensen av en hel klass av subsolära svarta hål kommer fysikerna att vara tvungna att skriva om avsnitten om Big Bang, det tidiga universum och mörka materians natur.

Några forskare från samarbetet LIGO–Virgo–Kagra understryker dock att alla konventionella möjligheter först måste uteslutas. Till exempel kunde sällsynta konfigurationer av neutronstjärnor i täta dubbelstjärnsystem teoretiskt sett producera en liknande signal. Dataanalysen fortsätter därför med allt mer sofistikerade simuleringar.

Vad skulle en bekräftelse av primordiala svarta hål förändra?

Om ytterligare observationer understödjer tolkningen framlagd av Cappelluti och Magaraggia väntar en rad vittgående konsekvenser. Kosmologin kommer att få ett verktyg för att undersöka ultrasnabba epoker, långt tidigare än den period varifrån bakgrundsstrålningen kommer. Primordiala svarta hål skulle fungera som sonder som minns betingelserna i universums allra första mikrosekunder.

Teorin om galaxbildning skulle likaså kräva revision. En ytterligare population av täta kompakta objekt förändrar det sätt på vilket materia klumpar ihop sig, hur mörka materiahalos växer, och hur de första stjärnorna formas. För partikelfysiker är det också en viktig signal om att jakten på exotiska partiklar kanske har ett snävare verksamhetsfält, om svarta hål spelar den dominerande rollen. Det är möjligt att vi hela tiden har letat efter mörk materia i form av okända partiklar, medan svaret låg gömt i objekt förutsagda för mer än 50 år sedan.

Forskare vid Virgo-observatoriet i Italien påpekar att en sådan upptäckt också skulle få konsekvenser för teknologin. En bättre förståelse av gravitationsvågor och universums tidiga faser kan i framtiden leda till nya tillämpningar inom tidmätning, navigation eller till och med energiproduktion. Tillsvidare befinner sig detta dock på spekulationernas plan, tills ytterligare bekräftande data föreligger.