Czy fizycy właśnie natrafili na pierwszy prymordialny czarny dziurę?

W archiwach obserwatorium LIGO ukrywał się sygnał, który może zmienić nasze rozumienie kosmosu. Sygnał S251112cm, wykryty przez sieć interferometrów LIGO, Virgo i Kagra, nie pasuje do żadnego znanego scenariusza – jedno z zderzających się ciał ma masę zaledwie 0,1-0,87 masy Słońca, czyli znacznie mniej niż minimalne 3 masy Słońca potrzebne do uformowania klasycznej czarnej dziury z gwiazdy. To może być pierwszy bezpośredni ślad prymordialnej czarnej dziury – obiektu uformowanego w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, a nie w wyniku ewolucji gwiazdowej.

Niepozorny sygnał w danych z detektorów fal grawitacyjnych może przewrócić do góry nogami nasz obraz kosmosu i materii ciemnej.

W archiwach obserwatorium LIGO wyłowiono zdarzenie, które nie pasuje do żadnego znanego scenariusza powstawania czarnych dziur. Jedno z łączących się ciał jest zbyt lekkie, by tłumaczyła je klasyczna ewolucja gwiazd. Coraz więcej badaczy skłania się więc ku odważnej tezie: to ślad czarnej dziury uformowanej w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu.

Niecodzienny sygnał: za lekki, by być zwykłą czarną dziurą

Historia zaczyna się od zdarzenia nazwanego S251112cm, wychwyconego przez sieć interferometrów LIGO, Virgo i Kagra. Na pierwszy rzut oka wyglądało jak kolejna rejestracja fal grawitacyjnych powstałych przy zderzeniu dwóch kompaktowych obiektów. Takie kolizje rejestrujemy już od kilku lat.

Problem pojawił się, gdy naukowcy dokładnie policzyli masy uczestników tego kosmicznego zderzenia. Jeden z obiektów okazał się niezwykle lekki jak na standardy czarnych dziur – jego masa mieści się w przedziale od 0,1 do 0,87 masy Słońca.

Sygnał S251112cm wskazuje na obiekt o masie mniejszej niż Słońce, co przeczy obecnym modelom formowania klasycznych czarnych dziur.

Zespół próbował dopasować inne znane typy obiektów:

• gwiazda neutronowa – za słaba emisja w innych zakresach promieniowania, brak towarzyszącego błysku,
• biały karzeł – również nie pasuje do charakteru sygnału, a do tego zabrakło śladu elektromagnetycznego,
• nietypowa konfiguracja w gęstej gromadzie – możliwa, ale coraz mniej prawdopodobna w świetle analizy statystycznej.

W obserwacjach nie dostrzeżono żadnego promieniowania w zakresie optycznym, rentgenowskim ani gamma, które zwykle towarzyszy zderzeniom gwiazd neutronowych. To mocno ogranicza liczbę wiarygodnych scenariuszy.

Granica trzech Słońc i ślepy zaułek klasycznej astronomii

Według dobrze ugruntowanych modeli ewolucji gwiazd czarne dziury powstają z kolapsu bardzo masywnych gwiazd. Z obliczeń wynika, że taka czarna dziura musi mieć co najmniej około trzy masy Słońca. Mniejsze obiekty kończą życie jako gwiazdy neutronowe albo białe karły, ale nie zapadają się do czarnej dziury.

Tymczasem tutaj mamy „kandydatkę” na czarną dziurę, której masa nie sięga nawet jednej masy Słońca. Jeśli odrzucimy wszystkie standardowe wyjaśnienia, pozostaje tylko jedno – ten obiekt nie powstał z gwiazdy.

Obiekt o masie poniżej jednej masy Słońca nie da się wytłumaczyć jako pozostałość po gwieździe. Taki rozmiar wskazuje na zupełnie inny mechanizm narodzin.

Właśnie w tym miejscu do gry wchodzą prymordialne czarne dziury – obiekty przewidywane teoretycznie od dziesięcioleci, ale nigdy wcześniej niepewnie zidentyfikowane.

Czym są prymordialne czarne dziury i skąd się biorą

Prymordialne czarne dziury, opisywane m.in. przez Stephena Hawkinga, miałyby powstać nie z gwiazd, lecz z zagęszczeń materii w ekstremalnie młodym kosmosie. Mówimy o ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, w okresie, gdy dominowała tzw. chromodynamika kwantowa (QCD), opisująca zachowanie kwarków i gluonów.

W takim gorącym, gęstym i chaotycznym środowisku lokalne fluktuacje gęstości mogły być tak silne, że materia w niektórych obszarach zapadała się grawitacyjnie, tworząc miniaturowe czarne dziury. Nie potrzeba do tego żadnych gwiazd – wystarczą odpowiednio silne wahania gęstości tuż po narodzinach kosmosu.

Właśnie taki scenariusz proponują autorzy analizujący S251112cm. Według nich obiekt o masie do 0,87 masy Słońca idealnie wpisuje się w prognozowany zakres mas czarnych dziur zrodzonych z fluktuacji w epoce QCD.

Czarna dziura wielkości miasta

Niska masa nie oznacza dużych rozmiarów. Wręcz przeciwnie – im mniejsza masa czarnej dziury, tym mniejszy promień horyzontu zdarzeń. Dla obiektu ważącego 0,87 masy Słońca średnica wyniosłaby około 5 kilometrów.

Dla porównania, to mniej więcej:

W tak maleńkiej kuli przestrzeni skupiłaby się masa porównywalna z naszym Słońcem. Żaden znany etap ewolucji gwiazd nie prowadzi do takiej konfiguracji. Warunki panujące tuż po Wielkim Wybuchu jak najbardziej.

Mroczna materia może być pełna miniaturowych czarnych dziur

Najbardziej ekscytujący aspekt tej historii dotyczy materii ciemnej. Od lat wiemy z obserwacji galaktyk i gromad, że brakuje nam ogromnej ilości masy. Wszystkie gwiazdy, gaz i pył to zaledwie ułamek tego, co wynika z dynamiki ruchu obiektów. Resztę nazwaliśmy właśnie materią ciemną.

Przez długi czas faworytami w wyścigu o wyjaśnienie były hipotetyczne cząstki, takie jak WIMPs. Mimo kosztownych eksperymentów w podziemnych laboratoriach i przy wielkich akceleratorach, takich cząstek nadal nie udało się uchwycić.

Jeśli sygnał S251112cm rzeczywiście pochodzi od prymordialnej czarnej dziury, to ciemna materia może składać się z niezliczonych miniaturowych czarnych dziur rozsianych po całym kosmosie.

Autorzy pracy analizują, czy liczba takich obiektów o masach subsolarnych mogłaby wystarczyć do wyjaśnienia brakującej masy. Wychodzi na to, że przy odpowiednio dobranym rozkładzie mas prymordialne czarne dziury mogą odpowiadać za znaczną część, a w skrajnym scenariuszu nawet za całość materii ciemnej.

Jak fale grawitacyjne pomagają w polowaniu na „ciemne” obiekty

Ogromnym atutem obserwatoriów takich jak LIGO czy Virgo jest to, że są one ślepe na zwykłe światło, a czułe na samą geometrię czasoprzestrzeni. Dzięki temu potrafią zarejestrować zderzenie dwóch czarnych dziur nawet wtedy, gdy w ogóle nie świecą w promieniowaniu elektromagnetycznym.

To szczególnie przydatne w przypadku prymordialnych czarnych dziur – one niemal nie wchodzą w interakcje z otoczeniem, więc nie mają jak emitować klasycznego promieniowania. Gdy się zderzają, wysyłają za to charakterystyczną falę grawitacyjną.

Sieć detektorów LVK może w ten sposób „słuchać” odległych zakątków kosmosu i wyłuskiwać z szumu coraz dziwniejsze sygnały. Z perspektywy fizyki prymordialnych czarnych dziur to dopiero początek możliwości.

Wciąż „tylko” kandydat, ale o ogromnym znaczeniu

Naukowcy zachowują chłodną głowę. W publikacji podkreślają, że obiekt o masie poniżej jednej masy Słońca to na razie kandydat na prymordialną czarną dziurę. Estymowana pewność, że jego masa faktycznie jest subsolarna, przekracza 99%, ale fizycy bardzo ostrożnie podchodzą do tak rewolucyjnych wniosków.

Aby przekonać większość środowiska, trzeba spełnić kilka warunków:

Jeśli w najbliższych latach detektory zarejestrują więcej zderzeń z udziałem tak lekkich czarnych dziur, status tej hipotezy gwałtownie wzrośnie. Wtedy kosmologia będzie musiała poważnie skorygować opis bardzo wczesnego etapu historii kosmosu, a fizycy cząstek – swoje ulubione modele kandydatów na materię ciemną.

Co zwykły czytelnik może z tego „wyciągnąć”

Choć temat brzmi bardzo technicznie, w tle kryją się pytania, które dotyczą każdego, kto kiedykolwiek spojrzał w niebo i zastanowił się, jak to wszystko się zaczęło. Jeśli prymordialne czarne dziury rzeczywiście istnieją, to są dosłownie reliktem narodzin kosmosu – czymś w rodzaju skamieniałości z pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu.

Można to porównać do odkrycia pradawnych drzew zatopionych głęboko w ziemi, które przetrwały z czasów formowania się kontynentów. Tyle że tutaj „skamieniałością” jest obiekt o gęstości praktycznie niepojętej, który zakrzywia czas i przestrzeń wokół siebie.

Co dalej z badaniami nad falami grawitacyjnymi

Obserwatoria fal grawitacyjnych cały czas się rozwijają. Trwające i planowane modernizacje zwiększą ich czułość, rozszerzą zakres rejestrowanych częstotliwości i pozwolą na wychwycenie znacznie słabszych, rzadszych zdarzeń. Im więcej sygnałów z udziałem lekkich czarnych dziur pojawi się w katalogach, tym precyzyjniej da się ocenić, czy rzeczywiście patrzymy na prymordialne obiekty.

Dla czytelników oznacza to jedno: w najbliższych latach temat czarnych dziur i materii ciemnej będzie wracał coraz częściej, a każde nowe „drgnięcie” czasoprzestrzeni zarejestrowane przez LIGO i jego następców może przynieść kolejną porcję zaskakujących wniosków o tym, jak naprawdę wygląda nasza kosmiczna okolica – także ta niewidoczna na pierwszy rzut oka.