Fysikere har muligens funnet det første primordiale sorte hullet fra Big Bang

Et mystisk signal tvinger forskere til å tenke nytt

Et høyst uvanlig tyngdebølgesignal har nettopp avslørt et objekt så lett at det tvinger astrofysikere til å revurdere etablerte stjernemodeller. Mye tyder på at vi faktisk ser på et eldgammelt levning fra de aller første mikrosekundene av universets eksistens.

Forskerteamet bak LIGO–Virgo–Kagra har nøye gransket data fra en enorm kosmisk kollisjon, gitt betegnelsen S251112cm. Da spesialistene beregnet massen til de involverte objektene, sto det klart at den ene parten veide betydelig mindre enn vår egen stjerne, Solen. Ifølge klassisk astronomi er et slikt sort hull i praksis en umulighet. Derfor peker flere eksperter nå på at det sannsynligvis dreier seg om det aller første beviset på et såkalt primordialt sort hull, skapt i de kaotiske øyeblikkene umiddelbart etter selve Big Bang.

Selv om teoretikere har spekulert over disse fenomenene siden 1970-tallet, har det avgjørende eksperimentelle beviset manglet. De avanserte tyngdebølgedetektorene, deriblant amerikanske LIGO, europeiske Virgo og japanske Kagra, fanger mikroskopiske forskyvninger skapt av tyngdebølger som ruller gjennom Jorden. Normalt stammer disse signalene fra sorte hull med en vekt tilsvarende dusinvis av solmasser. Hendelsen S251112cm skiller seg imidlertid markant ut, ettersom det ene objektet bare veier mellom en tidel og knapt én hel solmasse.

Siden et så lett sort hull ikke kan dannes via kjent stjerneutvikling, undersøkte man straks alternative forklaringer. Hadde det vært snakk om en kollisjon mellom nøytronstjerner eller hvite dverger, ville det ha utløst et tydelig glimt i form av røntgen- eller gammastråling. Det totale fraværet av ledsagende lyssignaler etterlater oss med et langt mer eksotisk scenario.

Hvordan et sort hull kan veie mindre enn Solen

I astronomiske termer er objekter med en masse nær Solens nesten alltid uhyre tette nøytronstjerner. Standardmodeller slår fast at et sort hull skapt av en kollapset stjerne må romme minst tre solmasser. Men beregningene for dette spesifikke objektet, anslått til å ha en masse på rundt 0,87 solmasser, peker på en diameter på bare fem kilometer.

Å presse nesten én hel solmasse ned i et så minimalt areal – et område man lett kunne løpe tvers over på en halvtime – krever ubeskrivelig ekstreme betingelser. Erfarne astrofysikere understreker at stjernefysikkens velprøvde lover rett og slett ikke tillater dannelsen av et så lett sort hull via et tradisjonelt kjernekollaps.

Ekspertene i samarbeidet retter derfor blikket mot alternative dannelsesmekanismer som bare kunne finne sted i universets aller tidligste barndom. Flere uavhengige forskergrupper har bekreftet at de målte parameterne umulig kan forklares gjennom vanlige stjernekollisoner.

Et avtrykk fra de første mikrosekundene etter Big Bang

Forfatterne bak den dyptgående analysen, Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia, retter fokus mot en æra der universet var under én milliontedel av et sekund gammelt. Under disse ubegripelige temperaturene og tetthetene dominerte et såkalt kvark-gluon-plasma. Allerede på 1970-tallet forutså fremstående fysikere som Stephen Hawking at enorme, lokale tetthetsvariasjoner i dette ekstreme miljøet kunne kollapse under sin egen tyngde og skape myriader av mikroskopiske sorte hull.

Forskerteamet argumenterer for at det undersøkte objektet stammer fra nettopp denne perioden, som er sterkt knyttet til kvantekromodynamikkens lover. Holder denne dristige hypotesen stikk, representerer S251112cm det aller første håndgripelige beviset for at disse eldgamle strukturene faktisk har overlevd fram til i dag. Som forskere fra både University of California og Det europeiske sydobservatoriet påpeker, har denne teorien manglet eksperimentell støtte i et halvt århundre. En bekreftelse vil utvilsomt innlede et helt nytt kapittel i moderne kosmologi.

• Skapt umiddelbart etter Big Bang i universets aller første milliontedel av et sekund.
• En masse som spenner fra en brøkdel til noen få solmasser.
• Oppstår direkte fra tetthetsvariasjonene i det opprinnelige kvark-gluon-plasmaet.
• Bemerkelsesverdig overlevelsesevne fram til vår nåværende tidsalder grunnet fravær av nedbrytningsmekanismer.
• Potensialet for at gigantiske populasjoner ble dannet i det tidlige universet.
• En mulig og avgjørende nøkkelrolle i dannelsen av de tidligste galaksene.

Kan mørk materie bestå av miniatyrssorte hull?

Mysteriet tar en enda mer fascinerende vending når astronomene kobler denne potensielle oppdagelsen sammen med gåten om mørk materie. Det har lenge vært et uomtvistelig faktum at synlig materiale som stjerner og gass bare utgjør en forsvinnenende liten prosentandel av det kosmiske regnskapet. Rundt 85 prosent utgjøres av en usynlig komponent vi utelukkende kan merke gjennom tyngdekraften.

I tiår har spesialister desperat lett etter subatomære partikler som WIMPer dypt nede i underjordiske fasiliteter som Gran Sasso og SNOLAB, men uten endelig gjennombrudd. Dette fraværet av resultater har banet vei for en banebrytende tankegang: Hva om mørk materie i virkeligheten består av utallige primordiale sorte hull?

Den siste analysen peker på at det oppdagede objektet passer perfekt inn i de matematiske modellene for nettopp dette scenariet. Forskere fra Den europeiske romorganisasjonen fremhever dessuten at denne modellen elegant kan løse en rekke åpne spørsmål rundt massefordelingen i store galakser, uten at vi trenger å oppfinne helt nye og ukjente partikler.

Et lovende signal, men ennå ikke et endelig bevis

Selv om begeistring er enorm i vitenskapelige kretser, oppfordres det til forsiktighet. Det er over 99 prosents sannsynlighet for at massen ligger under én solmasse, men ekstremt tette stjernehoper kan potensielt skape sjeldne, komplekse dynamikker som etterligner lignende signaler. Derfor klassifiseres legemet foreløpig som en kandidat til å være et primordialt sort hull.

For å gjøre hypotesen til et uomtvistelig faktum kreves det flere registreringer. Det globale LVK-nettverket spiller her en helt avgjørende rolle. Etter hvert som instrumentene oppnår enestående følsomhet, øker sjansene for å fange tilsvarende signaler drastisk. Bare ett eller to signaler til med tilsvarende egenskaper vil være nok til å sementere teorien.

Sterke forskerteam fra Heidelberg Universitet og Tokyo Universitet er allerede i full gang med systematisk å granske eldre arkivdata på jakt etter oversette tyngdebølgesignaturer fra tidligere observasjonsperioder.

• Signalets totale varighet avslører de kolliderende objektenes nøyaktige masse.
• Bølgeamplituden gjør det mulig å beregne den nøyaktige avstanden til hendelsen.
• Sluttfrekvensen er kritisk for å vurdere det nyopprettede objektets vekt.
• Det totale fraværet av lysglimt gjør det vesentlig enklere å utelukke nøytronstjerner.
• Selve bølgeformens mønster avslører typen himmellegemer som kolliderte.
• Samkjøring av data fra de ulike detektorene innsnevrer objektets posisjon på nattehimmelen.
• Tydelig kohærens mellom LIGO i Hanford og Livingston garanterer avlesningens ekthet.
• Inkluderingen av Virgo i Italia og Kagra i Japan forbedrer trianguleringen betydelig.

Hva en bekreftelse av primordiale sorte hull vil bety

Dersom resultatene fra Nico Cappelluti og Alberto Magaraggia blir fullt ut anerkjent, står astronomien overfor et gigantisk paradigmeskifte. Kosmologien får plutselig et kraftfullt verktøy for å studere epoker langt tidligere enn den æraen der den kosmiske bakgrunnsstrålingen stammer fra. Disse sorte hullene vil i realiteten fungere som tidskapsler som husker de ekstreme tilstandene fra universets første brøkdeler av et sekund.

Oppdagelsen vil også kreve alvorlige korreksjoner i teoriene for galaksedannelse og stjerneutvikling. For partikkelfysikken er det likeledes et markant signal om at behovet for å lete etter hittil ukjente, eksotiske partikler muligens er mindre enn antatt. Ledende forskere ved Massachusetts Institute of Technology uttrykker at et bekreftet funn vil rangere på samme historiske nivå som påvisningen av Higgs-bosonet.

For å forstå kvantekromodynamikkens kaotiske æra kan man med fordel tenke på universet som en gryte med brusende suppe, der kraftige bobler konstant oppstår og forsvinner. De mest massive og tetteste klumpene av stoff bukket under for tyngdekraften og ble øyeblikkelig til sorte hull. Siden har de i milliarder av år svirret nesten ubemerkede rundt i mørket, inntil de kolliderer og sender ut de markante tyngdebølgene vi i dag fanger opp. Et signal fra dypet av verdensrommet er derfor i realiteten et kosmisk postkort sendt fra selve virkelighetens opprinnelse.