Czy fizycy właśnie natrafili na pierwszy czarny mikro-potwór z epoki Big Bangu?

Amerykański detektor LIGO zarejestrował sygnał, który może okazać się przełomowy dla kosmologii. Dwóch astrofizyków z Uniwersytetu w Miami twierdzi, że w archiwalnych pomiarach fal grawitacyjnych widać ślad obiektu powstałego tuż po narodzinach kosmosu. Jego masa jest mniejsza niż masa Słońca, co kłóci się z wszystkim, co wiemy o czarnych dziurach gwiazdowych. Jeśli interpretacja się utrzyma, możemy mówić o pierwszej zaobserwowanej pierwotnej czarnej dziurze.

W danych z amerykańskiego detektora LIGO pojawił się sygnał, który nie pasuje do żadnego znanego typu czarnej dziury.

Jeśli interpretacja się utrzyma, może zmienić kosmologię.

Dwóch astrofizyków z Uniwersytetu w Miami twierdzi, że w archiwalnych pomiarach fal grawitacyjnych widać ślad obiektu powstałego tuż po narodzinach kosmosu. Jego masa wydaje się mniejsza niż masa Słońca, co kłóci się z tym, co wiemy o „zwykłych” czarnych dziurach tworzonych przez umierające gwiazdy. Na razie badają go ostrożnie, ale stawka jest ogromna.

Co to właściwie jest pierwotna czarna dziura

Większość czarnych dziur rodzi się w dość zrozumiały sposób. Gwiazda wiele razy cięższa od Słońca kończy życie gwałtowną supernową. Jej jądro zapada się pod własną grawitacją i tworzy obiekt tak gęsty, że uciec nie może nawet światło. Takie czarne dziury mają zawsze masę co najmniej porównywalną z masą Słońca, a zwykle dużo większą.

Istnieje jednak inny, znacznie bardziej egzotyczny scenariusz. W pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu Wszechświat był ekstremalnie gorący i gęsty. W tej zupie cząstek mogły pojawić się drobne „zgrubienia” materii, lokalne skupiska gęstsze niż otoczenie. Jeśli było ich wystarczająco dużo, mogły zwinąć się grawitacyjnie w miniaturowe czarne dziury, bez udziału jakichkolwiek gwiazd.

Pierwotna czarna dziura to hipotetyczny obiekt, który powstał bezpośrednio z materii po Wielkim Wybuchu, a nie z kolapsu gwiazdy.

Takie obiekty mogą mieć bardzo różne masy. Teoretyczne modele dopuszczają zarówno czarne dziury wielokrotnie cięższe od Słońca, jak i takie lżejsze od gwiazd, a nawet o masie porównywalnej z dużą asteroidą. Właśnie ta swoboda w masie jest ich znakiem rozpoznawczym.

Nietypowy sygnał z LIGO: za lekki na zwykłą czarną dziurę

Obserwatorium LIGO w USA rejestruje fale grawitacyjne – niewielkie zmarszczki czasoprzestrzeni, które powstają, gdy masywne obiekty, na przykład czarne dziury, zderzają się ze sobą. Od 2015 roku detektory tego typu regularnie notują takie zdarzenia, głównie kolizje dość masywnych czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego.

Wśród zarejestrowanych sygnałów znalazł się jednak jeden, oznaczony jako S251112cm, który zaciekawił badaczy z Miami, Alberto Magaraggię i Nico Cappellutiego. Z analiz wynika, że odpowiada on zlewaniu się dwóch bardzo lekkich czarnych dziur lub jednego nietypowego obiektu o masie wyraźnie mniejszej od masy Słońca.

Czarna dziura lżejsza niż Słońce praktycznie nie mieści się w scenariuszu, w którym powstaje ona z zapadającej się gwiazdy. Tu kosmologia zaczyna pachnieć czymś znacznie bardziej pierwotnym.

Astrofizycy porównali, jak często w modelach kosmologicznych powinny pojawiać się takie obiekty, jeśli są pierwotnymi czarnymi dziurami, z liczbą rzeczywiście zarejestrowanych sygnałów w LIGO od 2015 roku. Okazało się, że częstości ładnie do siebie pasują, co wzmacnia interpretację „pierwotną”. Nie jest to dowód, ale mocna wskazówka, że nie obserwujemy tu zwykłego obiektu pochodzenia gwiazdowego.

Pierwotne czarne dziury a zagadka ciemnej materii

Współczesna kosmologia zakłada, że zdecydowana większość materii w kosmosie ma postać niewidzialną. Tę niewidzialną frakcję nazywamy ciemną materią. Nie świeci, nie pochłania światła, nie wchodzi w silne interakcje z materią zwykłą. Zdradza się właściwie tylko grawitacją – na przykład sposobem, w jaki zakrzywia ruch gwiazd w galaktykach.

Standardowe wyjaśnienia mówią o nieznanych cząstkach elementarnych, których nie udało się do tej pory złapać w żadnym detektorze. Część fizyków szuka więc innych dróg. Jedna z nich prowadzi właśnie do pierwotnych czarnych dziur. Gdyby powstały w ogromnych ilościach tuż po Wielkim Wybuchu, ich łączna masa mogłaby odpowiadać dużej części tego, co dziś interpretujemy jako ciemną materię.

Jeśli pierwotne czarne dziury istnieją i występują w odpowiedniej liczbie, mogłyby w istotnym stopniu wypełniać halo ciemnej materii otaczające galaktyki.

Sygnał z LIGO, interpretowany jako obiekt lżejszy od Słońca, idealnie wpisuje się w tę ideę. Mamy wówczas do czynienia nie tylko z egzotycznym reliktem po Wielkim Wybuchu, lecz także z potencjalnym składnikiem niewidzialnej tkanki kosmosu.

Dlaczego naukowcy jeszcze nie świętują

Mimo ekscytujących wniosków astrofizycy zachowują duży dystans. Jedno wydarzenie, choćby idealnie zgodne z teorią, nie wystarczy, by ogłosić przełom. Sygnał mógł się okazać nietypową fluktuacją szumu, błędną interpretacją masy lub skutkiem zjawiska, którego jeszcze nie opisaliśmy w pełni.

Naukowcy podkreślają, że potrzebne są kolejne podobne zdarzenia. Dopiero seria podobnych sygnałów o masach poniżej masy Słońca, zarejestrowana przez niezależne detektory, pozwoli mówić o stabilnym zjawisku. Wówczas interpretacja w kategoriach pierwotnych czarnych dziur nabierze prawdziwej mocy.

• Jeden sygnał – ciekawostka, wymagająca dalszych sprawdzeń.
• Kilka podobnych zdarzeń – początek nowej klasy obiektów.
• Dziesiątki rejestracji – realna szansa na połączenie z ciemną materią.

Nowe instrumenty: od LIGO po LISA

LIGO od początku działania przechodzi kolejne modernizacje. Zwiększa się czułość detektora, zmniejsza szum, poprawia analiza danych. Każda nowa kampania obserwacyjna przynosi więcej zdarzeń i pozwala wyłapać coraz subtelniejsze sygnały. Do współpracy dołączyły też inne obserwatoria fal grawitacyjnych, jak europejsko-włoskie Virgo czy japońskie KAGRA.

Horyzont jeszcze bardziej poszerzy planowana misja LISA – kosmiczny interferometr laserowy przygotowywany przez Europejską Agencję Kosmiczną. Ma wystartować około 2035 roku. Umieszczenie detektora w przestrzeni kosmicznej pozwoli rejestrować fale grawitacyjne o innych częstotliwościach niż te dostępne z powierzchni Ziemi. To oznacza dostęp do zupełnie nowej kategorii źródeł, w tym bardzo masywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.

Kombinacja tych instrumentów tworzy coraz gęstszą „sieć nasłuchu” na fale grawitacyjne. Im większa wrażliwość i liczba detektorów, tym lepsza szansa na wyłowienie rzadkich, słabych sygnałów od obiektów takich jak pierwotne czarne dziury.

Co ta historia mówi nam o początkach kosmosu

Hipotetyczna pierwotna czarna dziura to kapsuła czasu. Jej parametry – masa, rozmieszczenie, liczba – niosą informacje o tym, jak wyglądał kosmos w absolutnie pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. Jeśli potwierdzi się, że takie obiekty istnieją, fizycy zyskają nowe narzędzie do testowania modeli wczesnej ekspansji i fluktuacji gęstości materii.

Modele inflacji kosmologicznej, opisy zachowania pól kwantowych czy pomysły na zmodyfikowaną grawitację można wtedy zderzyć z konkretnymi danymi z fal grawitacyjnych. W praktyce oznacza to szansę na wyeliminowanie wielu teoretycznych scenariuszy i zbliżenie się do tych, które rzeczywiście pasują do obserwowanego kosmosu.

Jak laik może wyobrazić sobie tak małą czarną dziurę

Dla uproszczenia warto oddzielić dwa pojęcia: masę i rozmiar. Czarne dziury gwiazdowe mają masę podobną do kilku–kilkudziesięciu Słońc i rozmiar rzędu dziesiątek kilometrów. Jeśli mówimy o obiekcie o masie mniejszej niż Słońce, jego promień staje się jeszcze mniejszy, choć gęstość rośnie do absurdalnych wartości.

Przykładowo: gdyby istniała czarna dziura o masie Mount Everestu, jej horyzont zdarzeń miałby rozmiar mniejszy niż atom. W przypadku obiektu lżejszego od Słońca, o którym mowa w analizach LIGO, poruszamy się wciąż w skali astronomicznej, ale daleko poniżej mas znanych z typowych kolapsów gwiazd. Taki kontrast właśnie wzbudza podejrzenie, że patrzymy na coś zupełnie innego niż resztki po supernowej.

Dlaczego ta historia może w przyszłości dotyczyć technologii

Fale grawitacyjne wydają się odległe od codzienności, ale historia fizyki pokazuje, że skrajnie abstrakcyjne badania po kilku dekadach często przekładają się na praktyczne zastosowania. GPS wymaga ogólnej teorii względności, medycyna wykorzystuje tomografię opartą na zjawiskach kwantowych, a elektronika opiera się na fizyce półprzewodników rozwijanej kiedyś dla czystej ciekawości.

Precyzyjne interferometry używane w LIGO czy przyszłej LISA to technologie pomiaru odległości z niewyobrażalną dokładnością. To rodzi nowe pomysły w dziedzinie sensorów, zegarów atomowych, systemów nawigacji czy diagnostyki materiałów. Nawet jeśli pierwotne czarne dziury pozostaną egzotycznym dodatkiem do podręczników kosmologii, ich poszukiwania pchają do przodu instrumenty, z których za kilkanaście lat mogą korzystać inżynierowie w bardzo przyziemnych projektach.