Tajemnicze drżenie czasoprzestrzeni zaskoczyło naukowców
Detektory LIGO, Virgo i Kagra zarejestrowały niezwykłe zaburzenie czasoprzestrzeni. Analiza danych sugeruje, że w kosmicznym zderzeniu uczestniczył obiekt lżejszy od Słońca — zbyt mały, by pasował do jakiegokolwiek znane typu czarnej dziury.
Całe środowisko naukowe coraz głośniej dyskutuje o możliwości, że udało się po raz pierwszy uchwycić ślad tak zwanej pierwotnej czarnej dziury, która powstała w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Odkrycie to mogłoby całkowicie zmienić nasze rozumienie ciemnej materii i wczesnego wszechświata.
Sygnał S251112cm stawia fizyków przed wielką zagadką
Cała historia zaczyna się od zdarzenia oznaczonego symbolem S251112cm. To kolejny wpis w katalogu fal grawitacyjnych — zmarszczek w czasoprzestrzeni powstających przy zderzeniu ekstremalnie masywnych obiektów, najczęściej czarnych dziur lub gwiazd neutronowych. Dla sieci obserwatoriów LIGO w Stanach Zjednoczonych, Virgo we Włoszech i Kagra w Japonii wykrywanie fal grawitacyjnych stało się niemal codzienną rutyną.
Tym razem jednak jeden z obiektów biorących udział w zderzeniu miał masę mieszczącą się zaledwie w przedziale od 0,1 do 0,87 masy Słońca. Dane wskazują z prawdopodobieństwem przekraczającym 99 procent, że przynajmniej jeden z obiektów był lżejszy od Słońca — a taki scenariusz zupełnie nie przystaje do standardowych modeli ewolucji gwiazd.
Sieć LVK działa jak globalny system „uszu” nasłuchujących odległych kosmicznych katastrof. Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię, subtelnie skraca jedno ramię interferometru i wydłuża drugie. Zmiana jest mniejsza niż średnica protonu, lecz czuła aparatura potrafi ją wykryć.
Dlaczego zwykła gwiazda nie może wytworzyć tak małej czarnej dziury
Aby powstała typowa czarna dziura, masywna gwiazda musi zakończyć swoje istnienie spektakularną katastrofą. Jądro zapada się pod własnym ciężarem, a zewnętrzne warstwy zostają wyrzucone podczas supernowej. Teoretyczna dolna granica masy czarnej dziury powstałej ze gwiazdy wynosi około trzech mas Słońca.
Zdarzenie S251112cm wskazuje tymczasem na obiekt o masie mniejszej niż jedna masa Słońca. Aktualne modele ewolucji gwiazd jednoznacznie wykluczają możliwość powstania tak lekkiej czarnej dziury w normalnym procesie gwiazdowym. Astrofizycy z Massachusetts Institute of Technology i University of Chicago szczegółowo przeanalizowali wszystkie znane scenariusze — żaden z nich nie wyjaśnia istnienia tak lekkiego obiektu.
Badacze rozważali też alternatywy. Czy mogła to być gwiazda neutronowa albo biały karzeł? Problemem jest brak towarzyszących błysków elektromagnetycznych — gama, rentgenowskich ani optycznych. Teleskopy nie zarejestrowały absolutnie nic. Wykryto wyłącznie fale grawitacyjne, co doskonale pasuje do zderzenia dwóch czarnych dziur.
Pradawne czarne dziury według teorii Stephena Hawkinga
W tym miejscu na scenę wkraczają tak zwane pierwotne czarne dziury, teoretyzowane od dekad między innymi przez Stephena Hawkinga. W odróżnieniu od klasycznych czarnych dziur nie powstają ze gwiazd. Ich pochodzenie sięga ułamków sekund po Wielkim Wybuchu.
W ultramłodym wszechświecie panowały ekstremalne warunki — nieprawdopodobne temperatury, gęstości i gwałtowne fluktuacje rozkładu materii. W pewnych obszarach materia mogła się zagęścić na tyle, że lokalny „garb” grawitacji zapaść się bez udziału gwiazdy, natychmiast tworząc czarną dziurę. Scenariusz rozważany przez badaczy zakłada powstanie obiektu podczas fazy związanej z kwantową chromodynamiką, zaledwie kilka mikrosekund po początku wszechświata.
Pierwotne czarne dziury mogłyby posiadać następujące właściwości:
- Powstanie w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu
- Masa poniżej jednej masy Słońca
- Brak promieniowania elektromagnetycznego przy kolizji
- Ekstremalnie kompaktowe rozmiary — około pięciu kilometrów średnicy
- Zdolność do wyjaśnienia części lub całości ciemnej materii
- Stabilność przez miliardy lat bez znaczącego promieniowania
- Możliwość detekcji wyłącznie za pośrednictwem fal grawitacyjnych
- Związek z przejściami fazowymi materii we wczesnym wszechświecie
Co oznacza czarna dziura o wielkości miasta
Czarna dziura o masie 0,87 masy Słońca brzmi niepozornie — dopóki nie spojrzymy na jej rozmiar. Taki obiekt byłby niezwykle kompaktowy: jego średnica wynosiłaby zaledwie około pięciu kilometrów. Masa porównywalna ze Słońcem, upchana w obszarze mniej więcej wielkości średniego miasta.
Tak ekstremalna gęstość wydaje się możliwa jedynie w czasach tuż po Wielkim Wybuchu, gdy materia przechodziła gwałtowne przemiany fazowe. Naukowcy z obserwatorium Virgo w miejscowości Cascina we Włoszech obliczyli, że grawitacja na powierzchni takiej czarnej dziury byłaby bilion razy silniejsza niż na Ziemi. Czasoprzestrzeń w jej otoczeniu byłaby skrzywiona do tego stopnia, że światło okrążałoby horyzont zdarzeń po spiralnych torach.
Naukowcy z Uniwersytetu w Tokio pracujący z detektorem Kagra zaznaczają, że podobnie małe czarne dziury mogłyby być stosunkowo powszechne. Jeśli powstały krótko po Wielkim Wybuchu, mogły przetrwać do dziś praktycznie bez zmian — bez dysków akrecyjnych ani strumieni wysokoenergetycznych cząstek.
Ciemna materia jako chmury pierwotnych czarnych dziur
Jeśli interpretacja sygnału S251112cm jako śladu pierwotnej czarnej dziury się potwierdzi, konsekwencje dalece wykraczają poza samą klasyfikację egzotycznego obiektu. Do gry wchodzi kwestia natury ciemnej materii. Astronomowie od lat wiedzą, że widzialna materia — gwiazdy, gaz, pył — stanowi jedynie ułamek kosmicznej układanki.
Na zachowanie galaktyk, gromad galaktyk i wielkich struktur kosmicznych oddziałuje dodatkowa materia, której nie można dostrzec w żadnym zakresie promieniowania. Przez dekady poszukiwano hipotetycznych nowych cząstek — od słynnych WIMP po egzotyczne lekkie bozony. Kolejne eksperymenty w podziemnych detektorach kończyły się milczeniem. W tym kontekście mini czarne dziury brzmią coraz przekonująco jako alternatywa.
Analiza sugeruje, że przy odpowiedniej liczbie i rozkładzie mas pierwotne czarne dziury mogłyby wyjaśnić znaczną część, a potencjalnie całość ciemnej materii — bez wprowadzania zupełnie nowych cząstek elementarnych. Fizycy z California Institute of Technology współpracujący z projektem LIGO obliczyli, że gęstość takich obiektów w naszej galaktyce mogłaby wynosić jeden obiekt na parsek sześcienny.
Naukowcy zachowują ostrożność i czekają na kolejne potwierdzenia
Mimo wyraźnego podniecenia w środowisku badacze zachowują dystans. Analiza opublikowana w archiwum arXiv i zgłoszona do prestiżowego czasopisma wciąż przechodzi recenzję. Naukowcy mówią wprost o „kandydacie” na pierwotną czarną dziurę, nie o potwierdzonym odkryciu.
Należy jeszcze sprawdzić, czy sygnału nie da się wyjaśnić inaczej — na przykład jako efekt złożonych interakcji w niezwykle gęstych gromadach gwiazd. W takich środowiskach obiekty mogą tworzyć wielokrotne układy, w których serie kolizji generują skomplikowane fale grawitacyjne. Na razie interpretacja pierwotnej czarnej dziury najlepiej pasuje do danych, ale fizycy potrzebują kluczowego elementu — powtórzenia.
Jeśli podczas trwającej kampanii detektory LVK zarejestrują drugi podobny sygnał z obiektem lżejszym od Słońca, hipoteza pierwotnych czarnych dziur zyska zupełnie inną wagę. Badacze z obserwatorium LIGO w Hanford planują udostępnić kompletny zbiór danych do niezależnych analiz przez inne zespoły.
Jakie będą kolejne kroki w poszukiwaniu mini czarnych dziur
Jeśli interpretacja pierwotnej czarnej dziury przetrwa krytykę, w najbliższych latach można spodziewać się intensywnej ofensywy badań. Astronomowie zaczną przeszukiwać archiwa danych z poprzednich kampanii LVK w poszukiwaniu przeoczonych sygnałów z obiektami lżejszymi od Słońca. Równolegle teoretycy będą dostosowywać modele powstawania pierwotnych czarnych dziur do nowych ograniczeń.
Gdyby ciemna materia okazała się po prostu chmurą mini czarnych dziur, zmieniłoby to sposób planowania przyszłych misji kosmicznych, prognozowania sygnałów w detektorach neutrin oraz projektowania eksperymentów z cząstkami elementarnymi. Część planowanych kosztownych instalacji mogłaby stracić sens na rzecz nowych pomysłów skupionych bardziej na astronomii fal grawitacyjnych.
Każdy kolejny zarejestrowany sygnał z udziałem tak małych czarnych dziur daje szansę testowania teorii grawitacji w ekstremalnym reżimie. To z kolei może wskazać, gdzie szukać nowej fizyki wykraczającej poza ogólną teorię względności i Model Standardowy cząstek. Właśnie z pozornie hermetycznych badań tego rodzaju wyrastają technologie, które po latach przenikają do codziennego życia — od nawigacji satelitarnej po zaawansowane metody obrazowania medycznego.
