Czy fizycy właśnie trafili na pierwszy pierwotny czarny dziurę?

Nowy sygnał fal grawitacyjnych zaskoczył naukowców: wygląda na to, że w danych ukrył się obiekt, którego klasyczna fizyka gwiazd nie potrafi wyjaśnić.

W centrum tej historii stoi maleńki, ale skrajnie gęsty obiekt, który może zmusić astrofizyków do przeredagowania podręczników. Jeśli interpretacja się utrzyma, będzie to pierwszy raz, gdy obserwatoria fal grawitacyjnych zarejestrowały coś, co przypomina tak zwaną pierwotną czarną dziurę – relikt pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu.

Nietypowy sygnał z LIGO, Virgo i Kagra

Sieć obserwatoriów fal grawitacyjnych LVK (LIGO, Virgo, Kagra) regularnie rejestruje „dźwięki” kosmicznych zderzeń czarnych dziur. Jeden z ostatnich sygnałów, oznaczony technicznym numerem S251112cm, od początku wyglądał na kolejną rutynową rejestrację.

Analiza parametrów zdarzenia szybko pokazała, że tym razem coś jest nie tak. Jedno z dwóch łączących się ciał okazało się zbyt lekkie, by pasować do znanych typów czarnych dziur. Wyliczona masa mieści się w przedziale od 0,1 do 0,87 masy Słońca.

Dzisiejsze modele ewolucji gwiazd wskazują, że czarna dziura pochodząca z zapadnięcia gwiazdy nie może mieć mniej niż około trzy masy Słońca.

Tymczasem obiekt w sygnale S251112cm jest mniejszy nawet od naszego Słońca, i to znacząco. Naukowcy rozważyli więc inne możliwości: gwiazdę neutronową lub białego karła. Brak jakiegokolwiek towarzyszącego błysku w świetle, promieniowaniu rentgenowskim czy radiowym praktycznie skreśla te scenariusze.

Czym są pierwotne czarne dziury?

Pierwotne czarne dziury, w skrócie PBH (od angielskiej nazwy), od dziesięcioleci przewijają się w równaniach kosmologów. Zakłada się, że powstawały nie z gwiazd, lecz z ekstremalnych zagęszczeń materii w bardzo młodym kosmosie, gdy Wszechświat miał ułamki sekund.

Według jednej z popularnych koncepcji część takich obiektów rodziła się podczas tak zwanej ery chromodynamiki kwantowej (QCD). To okres kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu, kiedy materię tworzyła gęsta zupa kwarków i gluonów, a grawitacja w połączeniu z lokalnymi wahaniami gęstości mogła ściskać materię do granic.

• czarne dziury „klasyczne” – powstają z masywnych gwiazd po wyczerpaniu paliwa;
• gwiazdy neutronowe – resztki po supernowych, doświadczają skrajnych gęstości, ale nie tworzą horyzontu zdarzeń;
• białe karły – wypalone jądra gwiazd podobnych do Słońca;
• pierwotne czarne dziury – hipotetyczne obiekty powstałe w bardzo młodym Wszechświecie, niezwiązane z życiem gwiazd.

To właśnie do ostatniej kategorii naukowcy zaliczają obiekt zarejestrowany w S251112cm. Autorzy analizy, między innymi Nico Cappelluti i Alberto Magaraggia, argumentują, że jedynie warunki panujące wczesnym kosmosie mogły „skompresować” tak małą ilość materii do czarnej dziury.

Gęstszy niż cokolwiek, co znamy z gwiazd

Czarna dziura o masie 0,87 masy Słońca, jeśli interpretacja jest poprawna, byłaby niezwykle kompaktowa. Jej średnica wyniosłaby około 5 kilometrów. To skala średniego miasta.

Wyobraź sobie niemal całe Słońce ściśnięte do obszaru mniejszego niż granice dużego polskiego miasta – tak wygląda proponowany obiekt.

Dla porównania: typowa gwiazda neutronowa, czyli już skrajnie gęsty obiekt, ma około 10–12 kilometrów średnicy przy masie około 1,4 masy Słońca. W tym przypadku mamy mniej materii, a więc jeszcze mniejszą przestrzeń, w której ta masa się mieści.

Modele ewolucji gwiazd nie przewidują żadnego mechanizmu, który doprowadziłby do powstania czarnej dziury o masie poniżej jednej masy Słońca z „normalnej” gwiazdy. Z tego powodu fizycy zaczynają patrzeć w stronę bardzo młodego kosmosu, w którym obowiązywały zupełnie inne warunki gęstości i temperatury.

Czy to brakujący składnik materii ciemnej?

Misteryjna materia ciemna to jeden z największych problemów współczesnej kosmologii. Wskazują na nią krzywe rotacji galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne i struktura wielkoskalowa kosmosu, ale nikt jej bezpośrednio nie wykrył. Do tej pory standardowe scenariusze stawiały na nowe, nieznane cząstki, takie jak słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMPs).

Nowa analiza z S251112cm powraca do starszej, długo marginalizowanej idei: materia ciemna może być w dużej mierze zbudowana z pierwotnych czarnych dziur. Według autorów, jeśli obiekt z sygnału faktycznie jest PBH i reprezentuje szerszą populację, to takie miniaturowe czarne dziury mogłyby stanowić sporą część, a być może nawet całość tajemniczej masy.

Zamiast egzotycznych cząstek niewidocznych dla detektorów, materia ciemna mogłaby składać się z miliardów miniaturowych czarnych dziur rozsianych po kosmosie od najwcześniejszych chwil jego istnienia.

Ten scenariusz ma ciekawą konsekwencję dla naszej galaktyki. Jeśli PBH faktycznie budują halo materii ciemnej, w którym zanurzona jest Droga Mleczna, takie obiekty mogłyby co jakiś czas przechodzić w pobliżu Układu Słonecznego, nie pozostawiając prawie żadnego śladu poza grawitacją.

Dlaczego fizycy hamują entuzjazm

Choć artykuł w serwisie arXiv wywołał duże poruszenie, autorzy tonują nastroje. S251112cm to na razie „kandydat na pierwotną czarną dziurę”, a nie potwierdzony fakt. Statystycznie szansa na masę poniżej jednej masy Słońca przekracza 99%, ale astrofizycy chcą wykluczyć alternatywne scenariusze.

W grę wchodzą między innymi złożone układy gwiazdowe, w których dochodzi do interakcji wielu obiektów w bardzo gęstych gromadach. Taki chaos może produkować sygnały, które trudno jednoznacznie zinterpretować, zwłaszcza gdy dane są obarczone szumem i niepewnościami.

Cappelluti przyznaje, że dane wyglądają wyjątkowo obiecująco, ale podkreśla kluczową rzecz: potrzeba drugiego, podobnego sygnału. Jeśli podczas obecnej kampanii obserwacyjnej LIGO, Virgo i Kagra zarejestrują kolejne zderzenie z obiektem sub-słonecznym, interpretacja w duchu PBH nabierze ogromnej wagi i może przejść z działu „ciekawa hipoteza” do „przyjmowane wyjaśnienie”.

Jak działają fale grawitacyjne i co tak naprawdę zmierzyli?

Fale grawitacyjne to zmarszczki w czasoprzestrzeni, przewidziane dawno temu przez ogólną teorię względności. Powstają, gdy masywne obiekty – jak czarne dziury czy gwiazdy neutronowe – przyspieszają w specyficzny sposób, na przykład podczas spiralnego zbliżania i zderzenia.

Interferometry LIGO, Virgo i Kagra mierzą niewyobrażalnie małe zmiany odległości między lustrami, gdy fala grawitacyjna przechodzi przez Ziemię. Z kształtu sygnału można odczytać masy i odległość zderzających się obiektów, a także rodzaj układu.

To właśnie niezwykle niska masa lżejszego składnika kolizji sprawia, że S251112cm wyróżnia się na tle innych rejestracji sieci LVK.

Co zmieniłoby potwierdzenie istnienia pierwotnych czarnych dziur?

Jeśli kolejne analizy i przyszłe sygnały potwierdzą, że astronomowie mają do czynienia z prawdziwymi PBH, konsekwencje sięgną znacznie dalej niż „kolejny typ egzotycznego obiektu”. Trzeba będzie zaktualizować opisy najwcześniejszych chwil kosmosu, sposób formowania się struktur, a także wiele modeli związanych z materią ciemną.

Dotychczas naukowcy testowali dziesiątki pomysłów na to, z czego składa się niewidzialna masa. Eksperymenty w podziemnych laboratoriach i akceleratorach cząstek nie przyniosły przekonującego rezultatu. PBH oferują inne podejście: nie wymagają nowej cząstki, lecz nowego spojrzenia na to, co działo się w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu.

Dla zwykłego odbiorcy takie pojęcia brzmią abstrakcyjnie. Warto więc pamiętać o prostym obrazie: jeśli materia ciemna jest zbudowana z PBH, to cała struktura galaktyk, w tym Drogi Mlecznej, w dużej mierze wynika z „grawitacyjnego rusztowania” tworzonego przez niezliczone, małe, niewidoczne czarne dziury.

Jak zwykły czytelnik może sobie wyobrazić ten problem?

Dobrym przybliżeniem jest porównanie do miasta nocą. Widzimy oświetlone ulice i budynki – to normalna materia: gwiazdy, planety, gaz. Nie widzimy jednak fundamentów, przewodów, rur, które utrzymują wszystko w całości i sterują przepływami. Tę niewidoczną infrastrukturę można potraktować jako analogię materii ciemnej.

Jeśli interpretacja z S251112cm będzie się bronić, pierwotne czarne dziury staną się kandydatem na takie „grawitacyjne fundamenty” kosmosu. Nie załatwi to wszystkich zagadek od ręki, ale da fizykom konkretny kierunek do dalszych badań, a obserwatoriom fal grawitacyjnych nowy cel: polowanie na kolejne, jeszcze słabsze i dziwniejsze sygnały, które noszą ślad pierwszych mikrosekund istnienia Wszechświata.