Niezwykły sygnał grawitacyjny budzi pytania
Naukowcy zarejestrowali coś nadzwyczajnego. Fale grawitacyjne wskazują na obiekt tak lekki, że nie pasuje do żadnego znanego modelu ewolucji gwiazd. To odkrycie może całkowicie zmienić nasze rozumienie wczesnego wszechświata.
Zespół kolaboracji naukowej LIGO-Virgo-Kagra szczegółowo przeanalizował zderzenie dwóch zwartych obiektów oznaczonych jako S251112cm. Gdy fizycy obliczyli masy uczestników tej kosmicznej kolizji, natrafili na zaskakujący fakt. Jeden z obiektów waży mniej niż nasze Słońce. Dla tradycyjnej astrofizyki taka czarna dziura praktycznie nie powinna istnieć. Właśnie dlatego część badaczy spekuluje, że być może obserwujemy pierwszy dowód na istnienie pradawnej czarnej dziury, która powstała niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu.
Fale grawitacyjne niosą zagadkowy przekaz z kosmosu
Cała historia zaczyna się od pozornie rutynowego zapisu fal grawitacyjnych przy użyciu sieci detektorów LIGO, Virgo oraz japońskiego Kagra. Te potężne interferometry potrafią mierzyć mikroskopijne zmiany odległości między zwierciadłami, spowodowane przejściem fal grawitacyjnych przez naszą planetę.
Większość podobnych sygnałów pochodzi ze zderzeń czarnych dziur o masach dziesiątek Słońc. Tym razem jednak analiza zdarzenia S251112cm ujawniła coś wyjątkowego. Jeden z dwóch łączących się obiektów ma masę wahającą się od około jednej dziesiątej do nieco poniżej jednej masy Słońca.
Tak lekka czarna dziura nie mieści się w ramach znanych procesów ewolucji gwiazd. To istotny sygnał sugerujący całkowicie odmienny mechanizm jej powstania.
Badacze natychmiast sprawdzili bardziej konwencjonalne wyjaśnienia. Gdyby sygnał pochodził ze zderzenia gwiazd neutronowych lub białych karłów, musieliby również zarejestrować promieniowanie elektromagnetyczne. Poszukiwania towarzyszącego rozbłysku w promieniach gamma, rentgenowskich czy optycznych nie przyniosły jednak rezultatów. W grę wchodzi zatem znacznie bardziej egzotyczny scenariusz.
Czarna dziura mniejsza niż duże miasto
Obiekty o masie zbliżonej do Słońca, które znamy z katalogów astronomicznych, to przeważnie ekstremalnie gęste gwiazdy neutronowe. Zwykła czarna dziura powstająca z kolapsu masywnej gwiazdy bywa znacznie cięższa. Według obecnych modeli musi osiągać minimum około trzech mas słonecznych.
Dla obiektu o masie około 0,87 masy Słońca wymiary są porównywalne z większym polskim miastem. Średnica takiej pułapki czasoprzestrzennej wyniosłaby około 5 kilometrów. Dystans, który człowiek spokojnie przebiega w pół godziny, a mówimy o zgromadzeniu niemal całej masy Słońca w tak małej przestrzeni.
Do stworzenia czegoś tak ekstremalnego potrzebne są warunki, których żaden znany proces gwiazdowy nie jest w stanie zapewnić. Astrofizycy podkreślają, że klasyczna fizyka ewolucji gwiazd nie pozwala na powstanie czarnej dziury o tak niskiej masie poprzez zwykły kolaps jądra gwiazdowego.
Trop z pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu
Właśnie dlatego autorzy nowego badania, Nico Cappelluti i Alberto Magaraggia, kierują uwagę znacznie dalej w przeszłość. Konkretnie do okresu, gdy wszechświat był młodszy niż milionowa część sekundy. W tej erze materia zachowywała się zupełnie inaczej niż obecnie. Dominowała tak zwana plazma kwarkowo-gluonowa, a gęstości i temperatury osiągały niewyobrażalne wartości.
Już w latach siedemdziesiątych fizycy teoretyczni, w tym Stephen Hawking, przewidywali intrygującą możliwość. W takim środowisku lokalne fluktuacje gęstości mogły kolapować pod własnym ciężarem i tworzyć całą populację miniaturowych czarnych dziur. Te obiekty zyskały miano pradawnych czarnych dziur.
Zespół badawczy sugeruje, że analizowany obiekt mógł powstać właśnie w erze związanej z fizyką chromodynamiki kwantowej, kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu.
Gdyby ten scenariusz się potwierdził, sygnał S251112cm stanowiłby pierwszy namacalny dowód, że takie formacje rzeczywiście przetrwały do współczesności. Oznaczałoby to, że wszechświat już w swoich pierwszych chwilach zaczął produkować czarne dziury w ilościach, o których dotąd mówiono tylko w teoretycznych równaniach.
Czy ciemna materia kryje się w postaci miniaturowych czarnych dziur?
Cała układanka nabiera jeszcze bardziej fascynujących wymiarów, gdy badacze łączą tego kandydata na pradawną czarną dziurę z problemem tak zwanej ciemnej materii. Od dziesięcioleci wiemy, że widoczna materia stanowi tylko niewielką część kosmicznego bilansu masy. Około 85 procent tworzy niewidzialny składnik, który objawia się wyłącznie grawitacyjnie.
Do tej pory wiele grup badawczych poszukiwało cząstek odpowiedzialnych za ten brakujący komponent. Poszukiwania tak zwanych WIMPów w podziemnych detektorach nie przyniosły jednak jednoznacznego sukcesu. To otworzyło drogę alternatywnym hipotezom.
Jeśli pradawne czarne dziury istnieją w wystarczającej liczbie i odpowiednim zakresie mas, mogłyby tworzyć istotną część ciemnej materii. Być może nawet jej całkowitą większość.
Nowa analiza sugeruje, że wykryty obiekt odpowiada takiemu scenariuszowi. Charakterystyka masowa zgadza się z przewidywaniami niektórych modeli populacji pradawnych czarnych dziur. W tej wizji ciemna materia nie reprezentuje egzotycznych cząstek, których nie potrafimy znaleźć. Zamiast tego byłyby to niezliczone czarne dziury rozsiane po całym kosmosie od najwcześniejszych epok.
Obiecujący sygnał wymaga dalszego potwierdzenia
Pomimo entuzjazmu niektórzy naukowcy wzywają do ostrożności. Szacunki wskazują, że prawdopodobieństwo masy niższej niż jedna masa Słońca przekracza 99 procent. Interpretacja wymaga jednak rozwagi. Wciąż istnieją bardziej złożone scenariusze obejmujące układy wielu obiektów w gęstych gromadach gwiazdowych, które mogą generować nietypowe sygnały.
Dlatego zespół na razie określa obiekt jako „kandydata” na pradawną czarną dziurę. Aby przejść od wskazówki do pewnego wniosku, fizycy potrzebują większej liczby podobnych zdarzeń. Trwająca kampania obserwacyjna sieci LVK odgrywa kluczową rolę. Detektory osiągają coraz wyższą czułość, więc szanse na kolejne zapisy rosną z każdym rokiem.
Drugi czy trzeci sygnał o porównywalnych parametrach mógłby przekształcić intrygującą hipotezę w nowy rozdział kosmologii.
Jeśli kilka niezależnych zdarzeń potwierdzi istnienie całej klasy czarnych dziur o masie poniżej słonecznej, fizycy będą musieli przepisać rozdziały podręczników poświęcone Wielkiemu Wybuchowi, wczesnej kosmologii i naturze ciemnej materii.
Jak działa detektor fal grawitacyjnych?
Dla lepszego zrozumienia znaczenia obecnego sygnału warto wiedzieć, co właściwie LIGO czy Virgo mierzy. To urządzenie, w którym wiązka laserowa podróżuje w dwóch prostopadłych ramionach i odbija się od luster oddalonych o kilka kilometrów. Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, nieznacznie ściska jedną oś i rozciąga drugą.
Zmiana długości ramion jest mniejsza niż ułamek średnicy protonu. Mimo to zaawansowana technika interferometryczna potrafi uchwycić tę różnicę. Z kształtu zarejestrowanego „świergotu” fal grawitacyjnych badacze odczytują masy, odległość i typ zderzających się obiektów.
- Czas trwania sygnału informuje o masach składników pary
- Amplituda przekłada się na odległość źródła
- Końcowa częstotliwość pozwala oszacować masę wynikowego obiektu
- Brak sygnału świetlnego pomaga wykluczyć gwiazdy neutronowe
W przypadku S251112cm wszystkie te elementy stworzyły obraz układu, w którym jeden z uczestników ma nietypowo niską masę. Właśnie ten szczegół wzbudził tak wielkie zainteresowanie społeczności naukowej.
Co oznaczałoby potwierdzenie pradawnych czarnych dziur?
Jeśli dalsze obserwacje poprą interpretację Cappellutiego i Magaraggii, czeka nas szereg konsekwencji. Kosmologia zyska narzędzie do badania ultrawczesnych epok, znacznie starszych niż okres, z którego pochodzi kosmiczne promieniowanie mikrofalowe. Pradawne czarne dziury działałyby jak sondy przechowujące pamięć warunków panujących w pierwszych mikrosekundach istnienia kosmosu.
Teorie powstawania galaktyk również wymagałyby modyfikacji. Dodatkowa populacja gęstych zwartych obiektów zmienia sposób, w jaki materia się gromadzi. Wpływa także na wzrost hal ciemnej materii i formowanie pierwszych gwiazd. Dla fizyków cząstek to ważny sygnał sugerujący, że poszukiwania egzotycznych cząstek mogą mieć mniejsze pole działania, jeśli główną rolę odgrywają czarne dziury.
Jak może to sobie wyobrazić przeciętny człowiek?
Dla osób spoza środowiska naukowego pojęcia takie jak „era chromodynamiki kwantowej” brzmią jak czysta abstrakcja. Pomaga prosta wizualizacja. Wyobraź sobie garnek z wrzącą zupą, w której nieustannie wypływają i opadają bąbelki. We bardzo wczesnym wszechświecie podobnymi „bąbelkami” były zagęszczenia materii.
Większość z nich rozwiała się, gdy wszechświat się rozszerzał. Niektóre jednak mogły być tak gęste, że same z siebie skolapsowały i utworzyły czarne dziury. Przez następne miliardy lat takie obiekty krążyłyby niemal niewidocznie między galaktykami i wewnątrz nich. Czasami zderzałyby się ze sobą.
Właśnie podczas tych rzadkich kolizji powstają fale grawitacyjne, które dziś wychwytują ziemskie detektory. Każdy taki sygnał funkcjonuje jak pocztówka wysłana z pierwszych chwil istnienia kosmosu.
