Astrofizycy namierzyli miniaturową „dziurę po Wielkim Wybuchu”. Może wywrócić kosmologię

Amerykański detektor LIGO przechwycił niezwykły sygnał, który może zrewolucjonizować nasze rozumienie ewolucji wszechświata. Eksperci z Uniwersytetu w Miami sugerują, że zarejestrowany ślad należy do pierwotnej czarnej dziury – egzotycznego obiektu uformowanego ułamki sekund po Wielkim Wybuchu. To odkrycie daje fizykom unikalną szansę na zbadanie niemowlęcego wieku kosmosu oraz rozwikłanie zagadki ciemnej materii, która od dekad spędza sen z powiek badaczom.

Sygnał zarejestrowany przez amerykański detektor fal grawitacyjnych LIGO wygląda jak ślad niezwykle egzotycznego obiektu z samego początku kosmosu.

Dwóch badaczy z Uniwersytetu w Miami sugeruje, że mógł to być tzw. pierwotny czarny dziur – obiekt, który nie powstał ze śmierci gwiazdy, lecz narodził się w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. Jeśli interpretacja się utrzyma, fizycy zyskają zupełnie nowe narzędzie do badania najwcześniejszych chwil istnienia kosmosu i natury tajemniczej ciemnej materii.

Czym różni się pierwotna czarna dziura od „zwykłej”

Znane z podręczników czarne dziury tworzą się wtedy, gdy masywna gwiazda kończy życie gwałtownym wybuchem supernowej. Jej jądro zapada się pod własnym ciężarem, tworząc obszar o tak silnej grawitacji, że nie ucieka z niego nawet światło. Z tego mechanizmu wynika dolna granica masy takich obiektów – typowe czarne dziury gwiazdowe są co najmniej cięższe od Słońca.

Koncept pierwotnych czarnych dziur wygląda inaczej. Zgodnie z teoriami kosmologicznymi mogły one powstać w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat był niewyobrażalnie gęsty i gorący. Wystarczyło, aby w tej kosmicznej „zupie” pojawiły się lokalne zgrubienia materii subatomowej. Jeśli były wystarczająco gęste, grawitacja ściskała je w miniaturowe czarne dziury.

Pierwotne czarne dziury nie potrzebują żadnej gwiazdy, aby powstać. Rodzą się bezpośrednio z ekstremalnych warunków tuż po Wielkim Wybuchu i mogą mieć masę znacznie mniejszą niż masa Słońca.

Według analiz cytowanych przez ScienceAlert masa takich obiektów może spadać poniżej masy Słońca, a w skrajnych przypadkach zbliżać się do masy sporej asteroidy. Właśnie ta cecha sprawiła, że sygnał z LIGO tak zelektryzował astrofizyków.

Sygnał S251112cm: za lekki jak na normalną czarną dziurę

Alberto Magaraggia i Nico Cappelluti przyjrzeli się sygnałowi oznaczonemu jako S251112cm, zarejestrowanemu przez LIGO – amerykański interferometr mierzący fale grawitacyjne. To subtelne zmarszczki w czasoprzestrzeni, które tworzą się między innymi podczas zderzeń czarnych dziur.

Analiza wykazała, że źródło tego sygnału miało masę niższą niż Słońce. Taka wartość kłóci się z tym, co wiemy o klasycznych czarnych dziurach pochodzenia gwiazdowego. Stąd pomysł, że w grę wchodzi zupełnie inny typ obiektu – pierwotny czarny dziur.

Naukowcy nie poprzestali na samej masie. Sprawdzili, czy częstość, z jaką LIGO powinien wyłapywać podobne obiekty, zgadza się z danymi zbieranymi od 2015 roku. Wynik okazał się spójny z teoretycznymi przewidywaniami dla populacji pierwotnych czarnych dziur. Innymi słowy, rzadkość takich sygnałów pasuje do oczekiwań wynikających z modeli kosmologicznych.

Z punktu widzenia statystyki sygnał S251112cm zachowuje się tak, jak zachowywać powinno bardzo rzadkie zjawisko z udziałem pierwotnej czarnej dziury o masie poniżej Słońca.

Ciemna materia na celowniku

Interpretacja proponowana przez zespół z Miami nie jest tylko ciekawostką. Dotyka jednego z największych problemów współczesnej fizyki – natury ciemnej materii. Z obliczeń wynika, że około 85 procent całej materii we Wszechświecie występuje w formie niewidocznej, nieświecącej, która oddziałuje głównie grawitacyjnie. To właśnie nazywamy ciemną materią.

Nie widać jej w teleskopach, ale widać jej efekt: przyspieszone ruchy gwiazd w galaktykach, zakrzywianie światła tła przez masywne gromady galaktyk czy rozkład struktur kosmicznych na wielkich skalach. Od dekad fizycy próbują ustalić, z czego ta niewidzialna „masa” się składa.

Jedna z hipotez głosi, że istotną część ciemnej materii tworzą właśnie pierwotne czarne dziury. Gdyby we wczesnym Wszechświecie powstały w ogromnych ilościach, dziś krążyłyby niemal wszędzie, rozsiane po galaktykach jak grawitacyjne ziarna.

Jeśli kolejne obserwacje potwierdzą, że LIGO rzeczywiście rejestruje pierwotne czarne dziury, fizycy zyskają silny argument, że właśnie one uczestniczą w roli ciemnej materii.

Co mówią autorzy analizy

Nico Cappelluti tłumaczy, że zespół widzi w danych „solidną” wskazówkę istnienia takich obiektów, ale ostrzega przed wyciąganiem zbyt szybkich wniosków. Jedno zdarzenie nie wystarczy, aby zmienić podręczniki. Potrzeba całej serii podobnych sygnałów, zarejestrowanych przez różne detektory i analizowanych innymi metodami.

Astrofizycy podkreślają też, że w grę wchodzą alternatywne scenariusze – na przykład egzotyczne gwiazdy neutronowe czy inne rzadkie konfiguracje materii. Każdy z nich trzeba rzetelnie sprawdzić, zanim pierwotna czarna dziura otrzyma status najbardziej sensownego wyjaśnienia.

Jak LIGO słyszy drgania czasoprzestrzeni

LIGO to gigantyczny detektor fal grawitacyjnych, złożony z dwóch prostopadłych ramion o długości kilku kilometrów. W każdym ramieniu laser odbija się wielokrotnie między lustrami. Gdy przez Ziemię przechodzi fala grawitacyjna, minimalnie rozciąga jedną oś przestrzeni, a drugą ściska. Ta mikroskopijna zmiana długości ramion zmienia drogę światła i daje się zarejestrować jako charakterystyczny sygnał.

• LIGO działa od 2015 roku w trybie naukowym i ma dwie główne instalacje w USA.
• Rejestruje zderzenia czarnych dziur i gwiazd neutronowych w odległych galaktykach.
• Od momentu uruchomienia potwierdził już dziesiątki takich zjawisk, tworząc zupełnie nową dziedzinę astronomii – astronomię fal grawitacyjnych.

Inżynierowie stale modernizują instrument, zwiększając jego czułość. To właśnie dzięki tym poprawkom możliwa stała się rejestracja coraz słabszych i rzadszych sygnałów, takich jak S251112cm.

Co przyniosą kolejne detektory, w tym kosmiczna LISA

Aby przejść od intrygującej sugestii do mocnego wniosku, naukowcy potrzebują całej sieci instrumentów. Na Ziemi już działa Virgo we Włoszech i KAGRA w Japonii. W planach jest też znacznie ambitniejszy projekt – LISA, czyli kosmiczny interferometr fal grawitacyjnych przygotowywany przez Europejską Agencję Kosmiczną.

LISA ma wystartować w połowie lat 30. XXI wieku. Zamiast kilku kilometrów ramion, otrzyma trzy satelity połączone wiązką laserową na dystansie milionów kilometrów. Tak duża „bazowa” długość pozwoli wychwycić zupełnie inny zakres fal grawitacyjnych niż na Ziemi, w tym sygnały z odległych epok kosmicznych.

Jeśli hipoteza pierwotnych czarnych dziur jest poprawna, przyszłe detektory – naziemne i kosmiczne – powinny widzieć całe „roje” zderzających się miniaturowych obiektów.

Dlaczego miniaturowa czarna dziura zmienia nasze spojrzenie na kosmos

Na pierwszy rzut oka różnica między czarną dziurą cięższą od Słońca, a lżejszą od niego wygląda jak szczegół. Dla fizyków to jednak sygnał, że znane scenariusze ewolucji gwiazd nie wyjaśniają już wszystkiego. Jeśli w danych z LIGO rzeczywiście kryje się ślad reliktu sprzed 14 miliardów lat, oznacza to, że obserwujemy nie tylko skutki życia i śmierci gwiazd, ale też bezpośredni „oddech” pierwszej sekundy istnienia kosmosu.

Dla badaczy ciemnej materii taka obserwacja to prawdziwy test. Zamiast opierać się wyłącznie na pośrednich skutkach niewidzialnej substancji, mogą polować na konkretne obiekty, które ją tworzą. Każde kolejne zarejestrowane zderzenie podejrzanie lekkich czarnych dziur wzmocni lub osłabi scenariusz z pierwotnymi czarnymi dziurami w roli głównej.

Warto też pamiętać, że fale grawitacyjne niosą informacje, których nie da się uzyskać przez teleskopy optyczne czy radiowe. Nie przesłania ich pył, nie rozmazuje atmosfera. Dzięki temu astrofizycy dostają w ręce zupełnie nowy kanał „podglądania” procesów, które do niedawna pozostawały wyłącznie w sferze równań na tablicy.

Dla przeciętnego odbiorcy te rozważania mogą brzmieć abstrakcyjnie, ale mają dalekosiężne skutki. To, jak rozumiemy ciemną materię i ewolucję kosmosu, przenika później do modeli powstawania galaktyk, gwiazd, a ostatecznie i planet takich jak Ziemia. Miniaturowa czarna dziura o masie mniejszej niż Słońce może więc okazać się brakującym elementem układanki, który zmieni sposób, w jaki opowiadamy całą historię naszego kosmicznego otoczenia.