Eit merkeleg signal rystar det vitskapelege miljøet
Forskarar bak detektorane LIGO, Virgo og Kagra har registrert ei uvanleg «risting» i romtida. Analysen tyder på at eit objekt lettare enn Sola deltok i ei kosmisk samanstøyt – noko som er altfor lite til å passa inn i nokon kjende kategoriar av svarte hol.
Det vitskapelege samfunnet diskuterer no høglytt om det for første gong har lukkast å fanga sporet av eit såkalla primordialt svart hol, som oppstod i dei aller første augneblinkar etter Big Bang. Ein stad som stadfester dette funnet, kunne fundamentalt endra forståinga vår av både mørkt stoff og det tidlege universet.
Signalet S251112cm gjev fysikarane ei stor gåte
Det heile startar med ei hending registrert under nemninga S251112cm. Det er endå ein post i katalogen over gravitasjonsbølgjer – krokingar i romtida som oppstår ved kollisjonar mellom ekstremt massive objekt som svarte hol eller nøytronstjerner. For nettverket av observatorium LIGO i USA, Virgo i Italia og Kagra i Japan er registrering av gravitasjonsbølgjer no nærast kvardag.
LVK-nettverket fungerer som eit globalt system av «øyre» som lyttar etter fjerne kosmiske katastrofar. Når ei gravitasjonsbølgje passerer Jorda, blir den eine armen på interferometeret litt kortare medan den andre blir lenger. Endringa er mindre enn diameteren til ein proton, men det kjenslevare apparatet klarar å fanga han opp. Takka vere samarbeidet mellom dei tre instrumenta kan forskarane ikkje berre måla bølgjeforma, men òg rekonstruera parametrane for objekta som framkalla dei – masse, avstand og til og med rotasjon.
Det var nettopp denne metoden som avslørte at eit objekt med masse under solmassen deltok i hendinga S251112cm. Forskarar frå LIGO-observatoria i Hanford og Livingston, saman med kollegaer frå den europeiske detektoren Virgo, analyserte data i fleire veker. Uavhengige grupper frå Japan som arbeider med observatoriet Kagra, kom fram til dei same konklusjonane.
Kvifor ei vanleg stjerne ikkje kan skapa eit så lite svart hol
For å danna eit typisk svart hol må ei massiv stjerne avslutta livet sitt i ei spektakulær katastrofe. Kjernen kollapsar under si eiga tyngdekraft medan dei ytre laga blir kasta ut i ei supernova. Problemet er at fysikken bak slike kollaps set ei nedre grense for massen til eit svart hol.
Den teoretiske nedre grensa for massen til eit svart hol danna frå ei stjerne er om lag tre solmassar. Det typiske masseintervallet for stjerne-svarte hol strekkjer seg frå nokre få til titals solmassar. Hendinga S251112cm peiker likevel på eit objekt med masse under éin solmasse. Noverande modellar for stjerneutvikling slår klart fast at ei vanleg stjerne ikkje kan skapa eit svart hol så lite som gravitasjonsbølgjeanalysen antyder.
Dersom signalet verkeleg stammar frå eit miniature svart hol, må det ha oppstått gjennom ein heilt annleis prosess. Astrofysikarar frå Massachusetts Institute of Technology og University of Chicago gjekk grundig gjennom alle kjende scenario for stjerneutvikling – og ingen av dei kan forklara eksistensen av eit så lett svart hol.
Urtids-svarte hol ifølgje Stephen Hawkings teori
På dette punktet kjem dei såkalla primordialne svarte hola inn på scena – ein idé som har vore teoretisert i tiår, mellom anna av Stephen Hawking. I motsetnad til klassiske svarte hol oppstår dei ikkje frå stjerner. Opphavet deira går tilbake til brøkdelar av eit sekund etter Big Bang. I det ultrayounge universet rådde ekstreme tilhøve – ufattelege temperaturar, tettleik og valdsame fluktuasjonar i stoffordelinga.
I visse område kunne stoff ha hopa seg så tett saman at eit lokalt «fjell» av tyngdekraft kollapsa utan at ei stjerne var involvert, og augneblinkeleg danna eit svart hol. Det scenariet forskarane føreslår, krev at objektet oppstod i ein fase knytt til kvantekomododynamikk, berre nokre få mikrosekund etter universets byrjing – i ei epoke der vanlege stjerner endå ikkje fanst.
Primordialne svarte hol vert meint å ha følgjande eigenskapar:
- Oppstod i dei første mikrosekundane etter Big Bang
- Masse under éin solmasse
- Ingen elektromagnetisk stråling ved kollisjon
- Ekstremt kompakte dimensjonar på om lag fem kilometer i diameter
- Evne til å forklara delar av eller heile det mørke stoffet
- Stabilitet gjennom milliardar av år utan nemneverdig stråling
- Kan berre detekterast via gravitasjonsbølgjer
- Samanheng med faseskift i stoff i det tidlege universet
Dersom tolkinga er korrekt, kan LVK-nettverket for første gong ha registrert eit signal frå kollisjon mellom nettopp eit slikt urtids-svart hol og eit anna objekt. Det viser at gravitasjonsbølgjer er i ferd med å bli eit verkty ikkje berre til å studera eksotiske stjerner, men òg universets aller tidlegaste augneblinkar.
Kva eit svart hol på storleik med ein by eigentleg tyder
Kva inneber det eigentleg å ha eit svart hol med ei masse på 0,87 solmassar? Talet høyrest ikkje dramatisk lite ut – heilt til ein ser på dimensjonane. Eit slikt objekt ville vera ekstremt kompakt med ein diameter på berre om lag fem kilometer. Det svarar til noko med ei masse jamlikeleg med Solas, pressa inn i eit område omtrent på storleik med ein mellomstor by.
Så ekstreme tettleiksvilkår synest berre moglege i tida umiddelbart etter Big Bang, då stoff gjekk gjennom valdsame faseovergangar. Forskarar frå observatoriet Virgo i byen Cascina i Italia har rekna ut at tyngdekrafta på overflata til eit slikt svart hol ville vera ein billion gonger sterkare enn på Jorda. Romtida i omgjevnadene ville vera så vrida at lys krinsa om hendingshorisonten i spiralforma banar.
Forskarar frå universitetet i Tokyo som arbeider med detektoren Kagra, påpeikar at tilsvarande små svarte hol kan førekoma relativt hyppig. Dersom dei oppstod kort etter Big Bang, kunne dei ha overlevd heilt fram til i dag nærast uendra. I motsetnad til klassiske stjerne-svarte hol ville dei ikkje ha nokon lysande akkresjonsskive eller straumar av høgenergetiske partiklar.
Mørkt stoff som skyer av primordialne svarte hol
Dersom tolkinga av signalet S251112cm som sporet av eit primordionalt svart hol vert stadfesta, rekk konsekvensane langt utover sjølve klassifiseringa av eit eksotisk objekt. Spørsmålet om naturen til det mørke stoffet kjem i forgrunnen. Astroomar har i årevis visst at synleg stoff – stjerner, gass, støv – berre utgjer ein liten brøkdel av det kosmiske puslespelet.
Åtferda til galaksar, galaksehopane og store kosmiske strukturar vert påverka av ytterlegare stoff som ikkje kan sjåast i noko strålespektrum. Dette har fått namnet mørkt stoff. I tiår har ein søkt etter hypotetiske nye partiklar – frå dei kjende WIMP-ane til eksotiske lette bosonar. Løpande eksperiment i underjordiske partikkeldetektorar har likevel enda i togn. I denne samanhengen byrjar mini-svarte hol å høyrast ut som eit stadig sterkare alternativ.
Analysen tyder på at primordialne svarte hol ved eit høveleg tal og massefordeling kunne forklara ein monaleg del – og potensielt heile – det mørke stoffet, utan å innføra heilt nye elementærpartiklar. I dette scenariet ville universet vera fylt med bittesmå svarte hol spreidde diskret i haloar rundt galaksar og i det intergalaktiske rommet. I kvardagen ville dei vera praktisk talt usynlege, men den samla gravitasjonseffekten deira ville forklara den galakseatferda astroomar observerer.
Fysikarar frå California Institute of Technology som samarbeider med prosjektet LIGO, har rekna ut at tettleiken av slike objekt i galaksen vår kunne utgjera eitt objekt per kubikk-parsek. Det er ein tilstrekkeleg låg tettleik til at risikoen for at Jorda direkte møter eit miniature svart hol er uvesentleg på skalaen av heile menneskja si historie.
Forskarane held att og etterlyst ytterlegare stadfesting
Til tross for den store begeistringa i forskingsmiljøet held vitskapsfolka avstand. Analysen, som er publisert i arkivet arXiv og send inn til eit prestisjetungt tidsskrift, er endå ikkje gjennom fagfellevurdering. Forskarane omtalar det direkte som ein «kandidat» til eit primordionalt svart hol. Det må framleis verifiserast om signalet ikkje kan forklarast på ein annan måte – til dømes som effekten av komplekse vekselvirkingar i uvanleg tette stjernehoppar.
I slike miljø kan krinsande objekt danna multiple system der seriar av kollisjonar og innfangingar genererer kompliserte gravitasjonsbølgjer. Førebels tyder alt på at tolkinga med det primordialne svarte holet er den enklaste og passar best med data – men fysikarane treng eitt avgjerande element til: gjentaking.
Dersom detektorane i LVK under den pågåande kampanjen registrerer eit anna liknande signal med eit objekt under solmassen, vil hypotesen om primordialne svarte hol få ei heilt anna tyngd – frå ein teoretisk kuriositet vil det forvandlast til ein ny kategori av reelle kosmiske objekt. Forskarar frå observatoriet LIGO i Hanford planlegg å gjera det fullstendige datasettet tilgjengeleg for uavhengige analysar frå andre grupper.
Kva er dei neste stega i jakta på mini-svarte hol
Held tolkinga av det primordialne svarte holet stand mot kritikken, kan ein i dei komande åra venta ein offensiv av ny forsking. Astroomar vil byrja å gjennomsøka dataarkiv frå tidlegare LVK-kampanjar for å finna ytterlegare oversedde signal med objekt under solmassen. Parallelt vil teoretikarar byrja å tilpassa modellar for danninga av primordialne svarte hol til dei nye avgrensingane – kor ofte dei kunne oppstå, kva typisk masse dei får, og om populasjonen deira verkeleg kan forklara det mørke stoffet.
Dette inneber ei korrigering av scenario for utviklinga til det unge universet, mellom anna fasar knytte til dei aller tidlegaste omdanningane av stoff. For folk flest høyrest heile emnet abstrakt ut, men det har overraskande konkrete konsekvensar. Dersom det mørke stoffet berre viser seg å vera ei sky av mini-svarte hol, ville det endra måten ein planlegg framtidige romferd, spår signal i nøytrinodetektorar og utformar eksperiment med elementærpartiklar.
Ein del av planlagde kostbare installasjonar kunne mista grunnlaget sitt, og i staden ville nye idear med større fokus på gravitasjonsbølgjeastronomi rykka fram. Kvart ytterlegare registrert signal med deltaking av så små svarte hol gjev høve til å testa gravitasjonsteorier under ekstreme tilhøve. Det kan igjen visa kvar ein bør søkja etter ny fysikk som går utover den generelle relativitetsteorien og standardmodellen for partiklar. Det er nettopp frå slike tilsynelatande hermetisk lukka forskingsfelt at teknologiar ofte veks fram som år seinare finn vegen inn i kvardagen – frå satellittnavigasjon til avanserte metodar innan medisinsk biletdiagnostikk.
