Czy fizycy właśnie namierzyli pierwszy pierwotny czarny dziur dzięki falom grawitacyjnym?

Nietypowy sygnał z obserwatorium fal grawitacyjnych namieszał w głowach astrofizyków i może wywrócić do góry nogami nasze myślenie o kosmosie.

Rejestracja krótkiego drżenia czasoprzestrzeni, nazwanego S251112cm, wygląda na coś znacznie dziwniejszego niż zwykłe zderzenie dwóch znanych typów gwiazd. Według zespołu badawczego w grę wchodzi obiekt tak lekki, że nie da się go wyjaśnić standardową fizyką gwiazdową. To otwiera drzwi do scenariusza, o którym fizycy mówili od dziesięcioleci tylko w teorii: pierwszego w historii kandydata na pierwotny czarny dziurę, powstały dosłownie u zarania kosmosu.

Co właściwie zarejestrowały detektory fal grawitacyjnych

Sygnał S251112cm pochodzi z sieci obserwatoriów fal grawitacyjnych LVK, tworzonej przez amerykański LIGO, europejski Virgo i japoński KAGRA. Te gigantyczne interferometry mierzą mikroskopijne zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni, powstające przy zderzeniach bardzo masywnych, kompaktowych obiektów – zazwyczaj czarnych dziur lub gwiazd neutronowych.

Na pierwszy rzut oka S251112cm przypomina klasyczne połączenie dwóch czarnych dziur. Gdy naukowcy zaczęli liczyć, pojawił się problem: jeden z obiektów miał masę mniejszą niż masa Słońca, w przedziale od około 0,1 do 0,87 masy słonecznej.

Sygnał wskazuje na ciało zbyt lekkie na klasyczną czarną dziurę i zbyt ciężkie, by łatwo wytłumaczyć je znanymi typami gwiazd.

To nie jest drobna nieścisłość. Według obecnych modeli gwiazdy nie mogą zapaść się w czarną dziurę, jeśli ich masa końcowa jest mniejsza niż mniej więcej trzykrotność masy Słońca. Taki obiekt zwyczajnie nie potrafi wytworzyć grawitacji wystarczająco silnej, aby pokonać wszystkie siły sprzeciwu w gwiezdnym wnętrzu.

Dlaczego to nie jest gwiazda neutronowa ani biała karlica

Najbardziej oczywistą alternatywą byłaby gwiazda neutronowa – ekstremalnie gęsty pozostały rdzeń po wybuchu supernowej – albo masywna biała karlica. Zespół analizujący dane odrzucił jednak te opcje.

• Brak błysku elektromagnetycznego – zderzenia z udziałem gwiazd neutronowych zwykle dają silny sygnał w zakresie promieniowania gamma, rentgenowskiego lub optycznego. Tu nie widać żadnego śladu takiego błysku.
• Nietypowa masa – znane gwiazdy neutronowe mają masy w wąskim przedziale, w pobliżu 1,4 masy Słońca. Wartości sugerowane przez analizę S251112cm leżą niżej i nie pasują do tego obrazu.
• Rozpad białej karlicy – białe karlice w tak ekstremalnych warunkach zostałyby rozerwane przez siły pływowe, co również powinno zostawić ślad w promieniowaniu. Niczego takiego nie zarejestrowano.

Skoro odpadają klasyczne gwiazdy i typowe kompaktowe pozostałości, astrofizycy musieli sięgnąć po mniej standardowe wyjaśnienie.

Pierwotne czarne dziury – dawna teoria wraca na pierwszy plan

Od lat siedemdziesiątych fizycy tacy jak Stephen Hawking rozważali istnienie pierwotnych czarnych dziur. W odróżnieniu od „zwykłych” czarnych dziur, powstałych z kolapsu masywnych gwiazd, te hipotetyczne obiekty miały narodzić się w ekstremalnie gęstym, młodym kosmosie, tuż po Wielkim Wybuchu.

W tamtym okresie, trwającym ułamki sekund, maleńkie wahania gęstości materii mogły lokalnie przyspieszyć ekspansję lub ją zahamować. W niektórych miejscach grawitacja wygrywała całkowicie, tworząc miniaturowe czarne dziury. Ich masy mogły być bardzo różne – od obiektów lżejszych od Słońca po takie o masach gwiazdowych i większych.

S251112cm idealnie pasuje do scenariusza, w którym przynajmniej jeden z uczestników zderzenia to czarna dziura uformowana dosłownie kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu.

Autorzy analizy sygnału sugerują, że „lekki” składnik tej fuzji mógł powstać w erze związanej z przemianami opisanymi przez chromodynamikę kwantową. Chodzi o czas, gdy wszechświat był tak gorący i gęsty, że protony i neutrony jeszcze nie istniały jako stałe obiekty, a materia miała formę plazmy kwarkowo-gluonowej.

Czarna dziura wielkości miasta z masą podobną do Słońca

Czarna dziura o masie niespełna Słońca jest nie tylko nietypowa – jest też szokująco kompaktowa. Średnica horyzontu zdarzeń takiego obiektu wynosiłaby około 5 kilometrów. To mniej więcej:

Wyobraź sobie masę naszego Słońca upchaną w objętości porównywalnej z centrum średniej wielkości miasta. Taka gęstość jest poza zasięgiem typowych procesów gwiazdowych. To właśnie wskazuje w kierunku procesów zachodzących w ultramłodym, gorącym kosmosie, gdzie reguły gry wyglądały znacznie inaczej.

Czy pierwotne czarne dziury mogą wyjaśnić materię ciemną

Jednym z najbardziej kuszących aspektów tej pracy jest jej związek z problemem materii ciemnej. Z obserwacji ruchu galaktyk, gromad galaktyk czy promieniowania tła wynika, że widoczna materia – gwiazdy, gaz, pył – to zaledwie kilka procent całkowitej zawartości kosmosu. Około 85% masy wypełniającej przestrzeń jest niewidoczne, wykrywalne tylko przez grawitację.

Przez lata większość zespołów szukała ciężkich, słabo oddziałujących cząstek, które miałyby tworzyć tę ukrytą masę. Kolejne detektory w głębokich kopalniach i akceleratory nie przyniosły jednoznacznych rezultatów. W tym miejscu do gry wchodzą pierwotne czarne dziury.

Jeśli w młodym kosmosie powstało wystarczająco dużo małych czarnych dziur, mogą one kontrować za istotną część, a może nawet całość masy ciemnej.

Autorzy analizy wskazują, że S251112cm pasuje do rozkładu mas pierwotnych czarnych dziur, który pozwalałby wypełnić lukę pomiędzy obserwowaną grawitacją a dostrzegalną materią. W takim scenariuszu ciemna materia nie byłaby nowym rodzajem cząstek elementarnych, ale ogromną populacją mikroskopijnych grawitacyjnych studni, swobodnie „pływających” w przestrzeni kosmicznej.

Konsekwencje dla kosmologii

Przyjęcie modelu, w którym materia ciemna to przede wszystkim pierwotne czarne dziury, pociągnęłoby za sobą cały łańcuch zmian w kosmologii:

• trzeba by na nowo przeanalizować proces formowania się galaktyk i ich gromad,
• modele wczesnego rozszerzania się kosmosu musiałyby uwzględnić intensywne tworzenie się czarnych dziur w bardzo krótkich skalach czasowych,
• różne pomiary promieniowania tła i rozkładu materii należałoby przeliczyć z uwzględnieniem silnych, lokalnych zaburzeń grawitacyjnych w przeszłości.

Dla fizyków to jednocześnie kłopot i szansa: sporo dotychczasowych wniosków trzeba by zweryfikować, ale pojawiają się też nowe testowalne przewidywania, które można sprawdzać dzięki rozwijającym się szybko detektorom fal grawitacyjnych.

Sygnał obiecujący, ale jeszcze nie przesądza sprawy

Naukowcy mówią na razie o „kandydacie” na pierwotny czarny dziurę. Analiza statystyczna wskazuje, że prawdopodobieństwo masy niższej niż masa Słońca przekracza 99%. Astrofizycy wolą jednak nie wyciągać ostatecznych wniosków na podstawie pojedynczego przypadku.

Jedna zagadkowa detekcja nie wystarczy – potrzebne są kolejne podobne sygnały, aby ogłosić nową klasę obiektów kosmicznych.

Trwa obecna kampania obserwacyjna sieci LVK, w której czułość detektorów rośnie z każdym usprawnieniem. Jeśli w nadchodzących miesiącach pojawi się drugi czy trzeci sygnał o podobnych parametrach, trudno będzie utrzymać pierwotne czarne dziury w sferze czystej teorii. Z kolei brak analogicznych zdarzeń zmusi badaczy do jeszcze dokładniejszego przyjrzenia się alternatywnym scenariuszom, takim jak złożone układy w bardzo gęstych gromadach gwiazd.

Dlaczego fale grawitacyjne zmieniają obraz kosmosu

Przez dziesięciolecia astronomia opierała się prawie wyłącznie na świetle: od fal radiowych po promieniowanie gamma. Fale grawitacyjne otworzyły zupełnie nową „zmysłową” drogę odbierania informacji z odległych rejonów kosmosu. Nie zależą od tego, czy coś świeci, czy nie; niosą w sobie zapis samego ruchu ogromnych mas.

To idealne narzędzie do polowania na obiekty, które są praktycznie niewidzialne w klasycznych teleskopach, ale przy zderzeniach zostawiają wyraźny odcisk w strukturze czasoprzestrzeni. Pierwotne czarne dziury, jeśli istnieją, są właśnie takimi obiektami: trudno je zauważyć w sposób pośredni, ale w momencie kolizji stają się doskonale słyszalne dla LIGO, Virgo czy KAGRA.

Co dalej: więcej danych, lepsze modele, nowe pytania

Najbliższe lata staną się testem dla śmiałej hipotezy związanej z S251112cm. Z jednej strony inżynierowie podnoszą czułość obecnych detektorów i planują kolejne instalacje. Z drugiej strony teoretycy dopracowują modele powstawania pierwotnych czarnych dziur i ich ewolucji, tak aby przewidzieć nie tylko pojedyncze przypadki, lecz także pełen „krajobraz” możliwych zdarzeń.

Dla przeciętnego obserwatora te dyskusje mogą brzmieć abstrakcyjnie, ale stawką jest zrozumienie, z czego w ogóle zbudowany jest kosmos i jak wyglądała jego najwcześniejsza faza. Jeśli za część niewidocznej masy rzeczywiście odpowiadają czarne dziury sprzed miliardów lat, zmienia to sposób, w jaki myślimy o powstawaniu gwiazd, galaktyk, a w konsekwencji także o historii naszego własnego Układu Słonecznego.

Warto też zwrócić uwagę na jeszcze jedno: fale grawitacyjne łączą kosmologię z fizyką cząstek. Ten sam okres wczesnego kosmosu, który badają astrofizycy, próbuje odtworzyć fizyka wysokich energii w akceleratorach. Jeśli dane z obserwatoriów takich jak LIGO zaczną pokrywać się z przewidywaniami teorii cząstek, obie dziedziny dostaną mocne, wzajemne potwierdzenie swoich modeli. A to oznacza, że każde kolejne drżenie czasoprzestrzeni może stać się cenną wskazówką nie tylko o odległych zakątkach kosmosu, lecz także o fundamentalnych zasadach rządzących materią na najbardziej elementarnym poziomie.