Astronomiczna sensacja: sygnał z czarnej dziury sprzed narodzin gwiazd

Astrofizycy z USA zarejestrowali niezwykły sygnał grawitacyjny, który może pochodzić z czarnej dziury powstałej dosłownie chwilę po Wielkim Wybuchu.

Według wstępnych analiz chodzi o obiekt o masie mniejszej niż masa Słońca, co kłóci się z tym, co nauka zna o typowych czarnych dziurach. Jeśli interpretacja się utrzyma, będziemy patrzeć na pierwszy w historii trop tak zwanej pierwotnej czarnej dziury – reliktu z pierwszej sekundy istnienia kosmosu.

Czarna dziura, która nie potrzebowała gwiazdy

Standardowy scenariusz tworzenia czarnej dziury jest dobrze opisany w podręcznikach. Na końcu życia masywna gwiazda zapada się pod własnym ciężarem, wybucha jako supernowa, a jej środek zmienia się w czarną dziurę. Z tego powodu masa takiego obiektu zwykle znacznie przekracza masę Słońca.

Z nowym sygnałem jest inaczej. Obiekt, który zderzył się z innym i wytworzył zarejestrowane fale grawitacyjne, ma masę wyraźnie niższą od słonecznej. Teoretycznie nie powinno go więc być – chyba że nie powstał z gwiazdy, lecz w zupełnie inny sposób.

Przeczytaj również: To miejsce w kuchni jest brudniejsze niż deska do mięsa. Myj je co tydzień

Możliwym wyjaśnieniem jest pierwotna czarna dziura, która narodziła się w ekstremalnych warunkach tuż po Wielkim Wybuchu, zanim w ogóle uformowały się pierwsze gwiazdy.

Takie obiekty to kosmiczne „skamieniałości” z pierwszej sekundy istnienia kosmosu. Zgodnie z teorią mogły wyrosnąć z bardzo gęstych grudek materii subatomowej, powstałych w gorącej, rozszerzającej się z zawrotną prędkością przestrzeni. Nie wymagały żadnej gwiazdy, żadnego wybuchu supernowej – tylko czystą, ekstremalną gęstość.

Dlaczego masa robi tu całą różnicę

Zwykłe czarne dziury, obserwowane przez astronomów, mają z grubsza dwa typowe przedziały mas:

Przeczytaj również: Hiszpania usuwa fotoradary z poboczy i zastępuje je niewidzialnymi pułapkami

• kilka–kilkadziesiąt mas Słońca – pozostałości po masywnych gwiazdach,
• miliony–miliardy mas Słońca – giganty w centrach galaktyk.

Obiekt sugerowany w nowym sygnale mieści się wyraźnie poniżej dolnej granicy znanej z takich przypadków. To sprawia, że klasyczny scenariusz gwiezdny praktycznie odpada i na scenę wchodzi koncepcja pierwotnych czarnych dziur.

Astrofizycy porównali przewidywaną częstość występowania takich obiektów z realnymi danymi z detektora LIGO, zbieranymi od 2015 roku. Rzadkość tego sygnału dobrze zgadza się z modelami teoretycznymi dla pierwotnych czarnych dziur. Innymi słowy – pojawia się dokładnie tak sporadycznie, jak powinien, jeśli te obiekty faktycznie istnieją.

Przeczytaj również: Silnik na postoju? Za ten nawyk grozi wysoki mandat i strata pieniędzy

LIGO „słyszy” kosmos dzięki falom grawitacyjnym

Za całą historią stoi LIGO – amerykański obserwatorium fal grawitacyjnych, które mierzy mikroskopijne drgania przestrzeni powstające przy zderzeniach ekstremalnie masywnych obiektów. W 2015 roku LIGO po raz pierwszy zarejestrował sygnał z kolizji czarnych dziur, co dało noblowską rewolucję w astronomii.

Teraz ten sam instrument wychwytuje coś znacznie subtelniejszego. Sygnał oznaczony jako S251112cm wyróżnia się masą obiektu, której nie da się łatwo dopasować do znanych kategorii. Dwóch badaczy z Uniwersytetu w Miami, Alberto Magaraggia i Nico Cappelluti, przeanalizowało dane i wskazuje na pierwotną czarną dziurę jako najbardziej spójne wyjaśnienie.

LIGO pokazał, że jest w stanie nie tylko rejestrować spektakularne kolizje masywnych czarnych dziur, ale też tropić znacznie lżejsze i bardziej egzotyczne obiekty, ukryte w szumie danych.

Jedno zderzenie nie przesądza sprawy. Taki sygnał może mieć alternatywne interpretacje, a astrofizycy słyną z ostrożności. Dlatego badacze otwarcie przyznają, że do mocnego potwierdzenia potrzeba kilku, a najlepiej kilkunastu podobnych zdarzeń. Mimo to sam fakt, że instrumenty w ogóle wchodzą w taką czułość, otwiera nowy obszar badań.

Czy pierwotne czarne dziury to ukryta materia kosmosu?

Na tym się nie kończy. Jeśli sygnał rzeczywiście pochodzi od pierwotnej czarnej dziury, dotykamy problemu, z którym fizycy mierzą się od dekad – tak zwanej materii ciemnej.

Z obserwacji ruchów gwiazd i galaktyk wynika, że w kosmosie brakuje ogromnych ilości masy. Wszystko, co widzimy – gwiazdy, planety, gaz, pył – to tylko około 15 proc. tego, co trzeba, aby wyjaśnić grawitacyjne zachowanie kosmosu. Reszta to niewidzialna materia, która nie świeci i nie odbija światła, ale przyciąga grawitacyjnie.

Jedna z hipotez głosi, że znaczną część tej brakującej masy mogą stanowić właśnie pierwotne czarne dziury, rozsiane w przestrzeni jak mikroskopijne, niewidzialne „kulki ciężaru”.

Jeśli LIGO faktycznie zaczęło rejestrować takie obiekty, to nie chodzi tylko o ciekawostkę. Naukowcy zyskują narzędzie do liczenia ich i szacowania, ile mogą ważyć łącznie. Każde kolejne zdarzenie pomoże odpowiedzieć na pytanie, czy pierwotne czarne dziury da się pogodzić z obserwacjami galaktyk, gromad czy kosmicznego promieniowania tła.

Co może przynieść LISA i następna generacja detektorów

LIGO nie jest jedynym instrumentem na horyzoncie. Europejska Agencja Kosmiczna rozwija projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – kosmicznego detektora fal grawitacyjnych. Trzy satelity mają tworzyć gigantyczny, trójkątny interferometr krążący wokół Słońca. Start planuje się na połowę lat 30.

LISA będzie wrażliwa na inny zakres częstotliwości niż LIGO, co oznacza, że wyłapie zupełnie nowe typy źródeł. Dla pierwotnych czarnych dziur może to być przełom – niektóre z nich, szczególnie te w parach, mogą generować fale idealnie wpisujące się w czułość kosmicznego interferometru.

Jak sobie wyobrazić tak małą czarną dziurę

Czarna dziura lżejsza od Słońca brzmi trochę abstrakcyjnie, więc warto ją osadzić w czymś bardziej namacalnym. Gdyby istniała pierwotna czarna dziura o masie na przykład większego asteroidy, miałaby rozmiar zbliżony do piłki nożnej, a może nawet mniejszy. A mimo to jej grawitacja przewyższałaby grawitację całej góry, a w pobliżu horyzontu zdarzeń nie uciekłby nawet promień światła.

Takie obiekty są praktycznie niewykrywalne przez klasyczne teleskopy. Nie świecą, nie odbijają światła, czasem tylko mogą zdradzić się tym, że zakrzywiają tor promieni biegnących za nimi, albo – jak w tym przypadku – wydają z siebie fale grawitacyjne podczas zderzenia z inną masą.

Co zmienia jedno nietypowe zdarzenie

Choć sygnał S251112cm wymaga potwierdzenia, już teraz wpływa na to, jak naukowcy planują przyszłe badania. Zaczyna się selekcjonowanie archiwalnych danych pod kątem podobnych, wcześniej zignorowanych zdarzeń. Zespoły teoretyczne dopracowują modele, które przewidują, jak dokładnie powinny wyglądać zderzenia pierwotnych czarnych dziur o różnych masach.

Dla nas, zwykłych obserwatorów, cała historia pokazuje, jak szybko zmienia się astronomia. Jeszcze dekadę temu fale grawitacyjne były jedynie konceptem z równań Einsteina. Dziś stają się narzędziem do badania najbardziej niedostępnych etapów w dziejach kosmosu – tych, których nie pokaże żaden teleskop optyczny czy radiowy.

Jeśli kolejne lata przyniosą więcej podobnych sygnałów, pojęcia takie jak „pierwotna czarna dziura” czy „materia ciemna” mogą przestać brzmieć jak czysta teoria. Z biegiem czasu staną się częścią konkretnych katalogów obiektów, z opisanymi masami, częstością zderzeń i wpływem na ewolucję galaktyk. A wtedy pytania o początki wszystkiego, co nas otacza, zaczną mieć o wiele bardziej liczbową, policzalną odpowiedź.