Czy fizycy właśnie namierzyli pierwszy prymordialny czarny dziurą?
Nietypowy sygnał fal grawitacyjnych zaskoczył astrofizyków. Jeśli ich interpretacja się potwierdzi, nasze rozumienie kosmosu może mocno się zmienić.
Międzynarodowy zespół badaczy analizujący dane z detektorów LIGO, Virgo i Kagra natrafił na ślad obiektu, który nie pasuje do żadnej znanej kategorii. Jest zbyt masywny, by był gwiazdą neutronową, a jednocześnie zbyt lekki jak na klasyczną czarną dziurę. Coraz poważniej pada więc podejrzenie: to może być pierwszy w historii sygnał pochodzący od tzw. prymordialnej czarnej dziury, powstałej tuż po Wielkim Wybuchu.
Co dokładnie zarejestrowały detektory fal grawitacyjnych
Cała historia zaczyna się od zjawiska oznaczonego jako S251112cm. To nazwa jednego z sygnałów fal grawitacyjnych zarejestrowanych przez sieć LVK (LIGO–Virgo–Kagra). Takie sygnały zwykle pochodzą z kosmicznych zderzeń: dwóch czarnych dziur, albo czarnej dziury i gwiazdy neutronowej.
W tym przypadku analiza danych wykazała jednak coś niezwykłego. Jeden z dwóch obiektów biorących udział w zderzeniu miał bardzo małą masę – między 0,1 a 0,87 masy Słońca. To liczby, które od razu zapaliły czerwone lampki u fizyków.
Przeczytaj również: Ta odmiana jabłek bije rekordy sprzedaży. Co w niej tak kusi?
Obiekt lżejszy niż Słońce, uczestniczący w zderzeniu typowym dla czarnych dziur, nie mieści się w standardowych modelach ewolucji gwiazd.
Naukowcy wykluczyli, że chodziło o gwiazdę neutronową albo białego karła. Dla takich zjawisk oczekuje się widzialnego sygnału – błysku w zakresie optycznym, rentgenowskim lub radiowym. Tym razem teleskopy niczego takiego nie zaobserwowały.
Dlaczego to nie może być „zwykła” czarna dziurą
Współczesne modele mówią jasno: gdy masywna gwiazda umiera i zapada się grawitacyjnie, powstała czarna dziurą ma co najmniej około trzy masy Słońca. Mniejszy obiekt nie powinien w ogóle powstać w tym scenariuszu.
Przeczytaj również: Blue Origin chce chronić Ziemię przed asteroidami. Nowa misja NEO Hunter
Astrofizycy Nico Cappelluti i Alberto Magaraggia, autorzy omawianej analizy, zwracają uwagę, że jeśli masę mniej niż jednej masy Słońca połączyć z brakiem sygnału elektromagnetycznego, zostaje bardzo wąskie pole manewru. Standardowe wytłumaczenia przestają działać.
- Znane czarne dziury gwiazdowe: co najmniej ok. 3 masy Słońca
- Gwiazdy neutronowe: zwykle 1,1–2,3 masy Słońca
- Obiekt z S251112cm: 0,1–0,87 masy Słońca
Z tak małą masą, a jednocześnie bez żadnego śladu w paśmie widzialnym czy w innych zakresach, obiekt coraz lepiej pasuje do koncepcji czarnej dziury, która nigdy nie była gwiazdą.
Przeczytaj również: Horoskop od 11 marca: te 3 znaki zodiaku mają mieć wyjątkową passę
Czym są prymordialne czarne dziury
Prymordialne czarne dziury (PBH, od angielskiej nazwy) to kategoria obiektów zaproponowana już kilka dekad temu, między innymi przez Stephena Hawkinga. W przeciwieństwie do zwykłych czarnych dziur nie powstają one z zapadnięcia martwych gwiazd. Rodzą się w ekstremalnie wczesnych chwilach istnienia kosmosu, gdy Wszechświat był gęstą, gorącą „zupą” cząstek.
Według jednej z hipotez lokalne fluktuacje gęstości w bardzo młodym kosmosie mogły być tak silne, że w niektórych miejscach materia zapadała się od razu w czarną dziurę. Nie były do tego potrzebne gwiazdy, bo gwiazdy jeszcze wtedy nie istniały.
Autorzy nowej pracy sugerują, że „podejrzany” obiekt zarejestrowany w sygnale S251112cm mógł powstać właśnie w takiej epoce – podczas tzw. ery chromodynamiki kwantowej, czyli zaledwie kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu.
Jeśli czarna dziurą ma masę mniejszą niż Słońce, a fizyka gwiazd nie umie takiej masy wyprodukować, naturalnym kandydatem staje się prymordialne pochodzenie.
Jak mała może być taka czarna dziurą
Przybliżone wyliczenia są obrazowe. Czarna dziurą o masie 0,87 masy Słońca miałaby średnicę około 5 kilometrów. To mniej więcej tyle, ile szerokość sporego miasta – od jednej dzielnicy do drugiej. W tej niewielkiej objętości upchnięte byłoby niemal całe Słońce.
Tak ekstremalne zagęszczenie materii praktycznie nie ma szans powstać w standardowych procesach gwiazdowych. Wczesny, gęsty kosmos tuż po Wielkim Wybuchu daje za to warunki, w których coś takiego rzeczywiście mogło się wydarzyć.
Czy prymordialne czarne dziury wyjaśniają zagadkę ciemnej materii
W tle tej historii kryje się jeszcze większe pytanie: z czego zrobiona jest ciemna materia. Wiemy, że w galaktykach i gromadach galaktyk brakuje „zwykłej” materii, aby wyjaśnić obserwowane ruchy. Wnioskujemy wtedy o istnieniu dodatkowej, grawitujące masy, której nie widać w żadnych teleskopach.
Przez lata dominowała wizja, że ciemna materia to nieznane cząstki, takie jak WIMPs. Eksperymenty w laboratoriach podziemnych i w akceleratorach cząstek wciąż jednak nie dają jednoznacznego wyniku. Dlatego astrofizycy zaczęli na nowo patrzeć w stronę prymordialnych czarnych dziur.
Jeśli małe czarne dziury powstałe tuż po Wielkim Wybuchu istnieją w odpowiedniej liczbie, mogą odpowiadać za sporą część, a może nawet całość ciemnej materii.
Nowa analiza sugeruje, że parametry zarejestrowanego obiektu są spójne z taką interpretacją. Gdyby w przyszłości wykryto więcej podobnych sygnałów, a ich statystyczna liczba i rozkład mas odpowiadałyby modelom dla prymordialnych czarnych dziur, obraz ciemnej materii mógłby się mocno uprościć. Zamiast tajemniczych cząstek mielibyśmy chmury miniaturowych czarnych dziur krążących po galaktykach od miliardów lat.
Ostrożność naukowców: na razie to tylko kandydat
Autorzy pracy zaznaczają, że nie ma jeszcze stuprocentowej pewności. S251112cm opisują jako „kandydata” na układ złożony z prymordialnej czarnej dziury. Statystyka przemawia za tym scenariuszem, ale nauka wymaga powtarzalności.
Szacunki mówią, że prawdopodobieństwo, iż jeden ze składników układu ma masę mniejszą niż masa Słońca, przekracza 99 procent. To bardzo mocny wynik, lecz nadal należy sprawdzić alternatywy, na przykład nietypowe procesy w bardzo gęstych gromadach gwiazd, gdzie dochodzi do złożonych oddziaływań grawitacyjnych.
| Scenariusz | Zgodność z danymi |
|---|---|
| Zwykła czarna dziurą po gwieździe | Bardzo mało prawdopodobny – za mała masa |
| Gwiazda neutronowa / biały karzeł | Niespójne – brak sygnału elektromagnetycznego |
| Prymordialna czarna dziurą | Najlepsza zgodność z obecną analizą |
Badacze z zespołu LVK podkreślają, że kluczowe będą kolejne kampanie obserwacyjne. Jeśli do obecnego katalogu dołączy następny, podobny sygnał, interpretacja w kategoriach prymordialnych czarnych dziur zyska o wiele mocniejsze podstawy.
Jak działają detektory LIGO, Virgo i Kagra
Aby zrozumieć wagę całej historii, warto krótko wyjaśnić, czym są fale grawitacyjne i jak się je mierzy. Gdy dwa masywne obiekty – jak czarne dziury – krążą wokół siebie i w końcu się łączą, zaburzają strukturę czasoprzestrzeni. Te zaburzenia wędrują przez kosmos jako mikroskopijne „zmarszczki”, rozchodzące się z prędkością światła.
LIGO, Virgo i Kagra to gigantyczne interferometry laserowe, które mierzą niezwykle małe zmiany odległości między lustrami zawieszonymi w długich tunelach. Kiedy fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, ramiona interferometru wydłużają się i skracają o ułamki rozmiaru protonu. Na podstawie tego sygnału komputery odtwarzają parametry zderzających się obiektów: masę, odległość, typ układu.
To właśnie w takich danych, zebranych w trakcie kolejnych serii obserwacji (oznaczanych jako O1, O2, O3, O4), pojawił się sygnał S251112cm. Jego szczegóły trafiły następnie na serwer arXiv w formie pracy naukowej, która czeka na recenzję w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Co może zmienić potwierdzenie prymordialnych czarnych dziur
Jeśli kolejne analizy i obserwacje potwierdzą, że lżejszy składnik układu S251112cm jest prawdziwą prymordialną czarną dziurą, fizycy zyskają zupełnie nowe narzędzie do badania najwcześniejszych chwil po Wielkim Wybuchu. Takie obiekty zachowywałyby w swojej masie i rozmieszczeniu ślad warunków panujących w bardzo młodym kosmosie.
Można je traktować jak swoiste „fossylia” z pierwszych mikrosekund istnienia Wszechświata. Liczba i rozkład mas prymordialnych czarnych dziur pozwoliłyby testować modele inflacji kosmologicznej, własności materii w ekstremalnych gęstościach czy zachowanie kwarków i gluonów we wczesnej plazmie kwarkowo–gluowej.
Dla przeciętnego obserwatora niebo wygląda wtedy tak samo jak dotąd, ale w tle zmienia się narracja o tym, skąd rzeczywiście bierze się grawitacja w galaktykach i gromadach. Jeśli ciemna materia okaże się w dużym stopniu „zrobiona” z prymordialnych czarnych dziur, wiele dotychczasowych poszukiwań nowych cząstek trzeba będzie mocno przemyśleć.
Jak sobie wyobrazić ciemną materię złożoną z mini–czarnych dziur
Warto spróbować przełożyć te koncepcje na bardziej intuicyjny język. W codziennym doświadczeniu materia to głównie atomy: protony, neutrony, elektrony. Z nich składają się gwiazdy, planety, ciało człowieka, wszystko wokół. Tymczasem obserwacje wskazują, że takiej „normalnej” materii jest zaledwie około 15 procent całej materii w kosmosie.
Resztę stanowi coś, czego nie widać. Jeśli przyjąć scenariusz z prymordialnymi czarnymi dziurami, można wyobrazić sobie, że wewnątrz galaktyk, obok gwiazd i gazu, krąży też ogromna liczba mikroskopijnych, ciemnych punktów grawitacyjnych. Prawie niczego nie oświetlają, a mimo to przyciągają wszystko dookoła i wpływają na ruch gwiazd.
Takie mini–czarne dziury mogą swobodnie przelatywać przez Układ Słoneczny, nie zostawiając po sobie wyraźnego śladu. Są tak małe, że szansa bezpośredniego zderzenia z planetą jest ekstremalnie niska. Ich wpływ odczuwamy głównie w skali galaktyk: w tym, jak szybko obracają się dyski gwiazd, jak łączą się gromady, jak zachowują się soczewki grawitacyjne.
Jeśli kolejne kampanie LIGO, Virgo i Kagra wykażą obecność większej liczby obiektów o masach poniżej Słońca, fizycy będą mogli policzyć, czy liczba takich czarnych dziur wystarcza do wytłumaczenia całości ciemnej materii. Ten rachunek wymaga czasu, wielu sygnałów i ostrożnej statystyki, ale już teraz widać, że pojedyncze zdarzenie S251112cm rozpaliło wyobraźnię społeczności astrofizycznej.
