Czy fizycy właśnie namierzyli pierwszy prapierwotny czarny dziurę?

Nietypowy sygnał fal grawitacyjnych zaskoczył fizyków.

Dane wskazują na obiekt tak lekki, że nie pasuje do żadnego znanego modelu gwiezdnego.

Naukowcy z zespołu LIGO–Virgo–Kagra przeanalizowali rejestrację zderzenia dwóch kompaktowych obiektów, oznaczoną symbolem S251112cm. Gdy podliczyli masy uczestników tego kosmicznego zderzenia, okazało się, że jeden z nich waży mniej niż Słońce. Dla klasycznej astrofizyki taki czarny dziura w zasadzie nie ma prawa istnieć. Właśnie dlatego część badaczy mówi dziś, że być może patrzymy na pierwszy w historii ślad tzw. prapierwotnego czarnego dziury, uformowanego tuż po Wielkim Wybuchu.

Fal grawitacyjne przynoszą kosmiczną zagadkę

Wszystko zaczyna się od rutynowego z pozoru zarejestrowania fal grawitacyjnych przez sieć detektorów LIGO, Virgo i japońskiego Kagra. Te gigantyczne interferometry mierzą mikroskopijne zmiany odległości między lustrami, wywołane przemieszczaniem się fal grawitacyjnych przez Ziemię.

Większość takich sygnałów pochodzi ze zderzeń czarnych dziur o masach kilkunastu lub kilkudziesięciu Słońc. Tym razem analiza zdarzenia S251112cm odsłoniła coś wyjątkowego: jeden z dwóch łączących się obiektów ma masę w przedziale od około jednej dziesiątej do nieco poniżej jednej masy słonecznej.

Tak lekki czarny dziura nie mieści się w ramach znanych procesów ewolucji gwiazd. To poważny sygnał, że mamy do czynienia z innym mechanizmem jego narodzin.

Badacze od razu sprawdzili bardziej tradycyjne wyjaśnienia. Gdyby sygnał pochodził ze zderzenia gwiazd neutronowych lub białych karłów, trzeba byłoby zarejestrować to również w świetle – w promieniach gamma, rentgenowskich lub choćby w zakresie optycznym. Poszukiwania towarzyszącego błysku nie przyniosły żadnego rezultatu. W grze pozostał więc scenariusz znacznie bardziej egzotyczny.

Czarny dziura mniejszy od miasta

Obiekty o masie zbliżonej do Słońca, które znamy z katalogów astronomicznych, to w większości bardzo gęste gwiazdy neutronowe. Typowy czarny dziura powstający z kolapsu masywnej gwiazdy jest dużo cięższy – według obecnych modeli musi mieć co najmniej około trzech mas Słońca.

Dla obiektu o masie rzędu 0,87 masy słonecznej obliczenia dają rozmiary porównywalne z większym polskim miastem. Średnica takiej czasoprzestrzennej pułapki wyniosłaby w przybliżeniu 5 kilometrów. To odległość, jaką spokojnie da się przebiec w pół godziny – a mówimy tu o upakowaniu prawie całej masy Słońca w takiej skali.

Aby wytworzyć coś tak ekstremalnego, potrzeba warunków, których nie zapewnia żaden znany proces zachodzący w gwiazdach. Astrofizycy podkreślają, że fizyka klasycznej ewolucji gwiezdnej nie pozwala na utworzenie czarnego dziury o tak niskiej masie przez zwykłe zapadanie się jądra gwiazdy.

Ślad pierwszych mikrosekund po Wielkim Wybuchu

Dlatego autorzy nowej analizy, Nico Cappelluti i Alberto Magaraggia, kierują wzrok znacznie dalej w przeszłość, do czasów, gdy Wszechświat miał mniej niż milionową część sekundy. W tym okresie materia zachowuje się inaczej niż dziś: dominuje tzw. plazma kwarkowo–gluowna, a gęstości i temperatury są niewyobrażalne.

Już w latach 70. fizycy teoretyczni, w tym Stephen Hawking, przewidywali, że w takim środowisku lokalne fluktuacje gęstości mogły zapadać się pod własnym ciężarem, tworząc całą populację miniaturowych czarnych dziur. Zyskały one nazwę prapierwotnych czarnych dziur.

Zespół sugeruje, że analizowany obiekt mógł powstać właśnie w erze związanej z fizyką chromodynamiki kwantowej, kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu.

Jeśli ten scenariusz jest prawdziwy, sygnał S251112cm byłby pierwszą namacalną wskazówką, że takie twory naprawdę przetrwały do dzisiejszych czasów. Oznaczałoby to, że Wszechświat już w swoich pierwszych chwilach zaczął produkować czarne dziury w ilościach, o jakich do tej pory mówiło się tylko w równaniach.

Czy mroczna materia to morze miniaturowych czarnych dziur?

Misterna układanka robi się jeszcze ciekawsza, gdy badacze łączą ten kandydat na prapierwotny czarny dziura z problemem tzw. materii ciemnej. Od dziesięcioleci wiadomo, że widzialna materia – gwiazdy, gaz, pył – to zaledwie niewielka część kosmicznego bilansu masy. Około 85 procent stanowi niewidoczna komponenta, która ujawnia się tylko przez grawitację.

Dotąd wiele grup poszukiwało cząstek odpowiadających za ten brakujący składnik, takich jak WIMP-y rejestrowane w podziemnych detektorach. Poszukiwania nie przyniosły jak dotąd jednoznacznego sukcesu, co otworzyło drogę alternatywnym pomysłom.

Jeśli prapierwotne czarne dziury istnieją w odpowiedniej liczbie i zakresie mas, mogą stanowić istotną część, a być może nawet całość materii ciemnej.

Nowa analiza sugeruje, że wykryty obiekt pasuje do takiego scenariusza. Sygnatura masyowa zgadza się z przewidywaniami niektórych modeli populacji prapierwotnych czarnych dziur. W takiej wizji mroczna materia to nie egzotyczne cząstki, których nie umiemy namierzyć, lecz niezliczone czarne dziury rozsiane po całym kosmosie od najwcześniejszych epok.

Sygnał obiecujący, ale jeszcze nie rozstrzygający

Mimo entuzjazmu część badaczy studzi emocje. Szacunki mówią, że prawdopodobieństwo masy mniejszej od jednej masy słonecznej sięga ponad 99 procent, ale interpretacja wymaga ostrożności. Wciąż istnieją bardziej złożone scenariusze związane z układami wielu obiektów w gęstych gromadach gwiazd, które mogą generować nietypowe sygnały.

Dlatego na razie zespół określa obiekt mianem „kandydata” na prapierwotny czarny dziura. Aby przejść od sugestii do mocnego wniosku, fizycy potrzebują więcej podobnych zdarzeń. Trwająca kampania obserwacyjna sieci LVK ma tu kluczowe znaczenie: detektory osiągają coraz wyższą czułość, więc szansa na kolejne rejestracje rośnie z każdym rokiem.

Drugi, trzeci sygnał o porównywalnych parametrach mógłby zamienić intrygującą hipotezę w nowy rozdział kosmologii.

Jeśli kilka niezależnych zdarzeń potwierdzi istnienie całej klasy sub-słonecznych czarnych dziur, fizycy będą musieli przerobić rozdziały w podręcznikach dotyczące Wielkiego Wybuchu, wczesnej kosmologii i natury materii ciemnej.

Jak działa detektor fal grawitacyjnych?

Aby lepiej zrozumieć wagę obecnego sygnału, warto wiedzieć, co właściwie mierzy LIGO czy Virgo. To instalacje, w których wiązka lasera biegnie w dwóch prostopadłych ramionach, odbijając się od luster oddalonych o kilka kilometrów. Gdy fala grawitacyjna przechodzi przez detektor, minimalnie ściska jedną oś, a drugą wydłuża.

Zmiana długości ramion jest mniejsza niż ułamek średnicy protonu, ale zaawansowana technika interferometryczna pozwala ją wychwycić. Z kształtu zarejestrowanego „ćwierku” fal grawitacyjnych badacze odczytują masy, odległość oraz rodzaj zderzających się obiektów.

• czas trwania sygnału informuje o masach składników pary,
• amplituda przekłada się na odległość źródła,
• końcowa częstotliwość pozwala oszacować masę powstałego obiektu,
• brak sygnału świetlnego ułatwia wykluczenie gwiazd neutronowych.

W przypadku S251112cm wszystkie te elementy złożyły się na obraz układu, w którym jeden z uczestników ma nietypowo niską masę. To właśnie ten szczegół wzbudził tak duże zainteresowanie.

Co zmieniłoby potwierdzenie prapierwotnych czarnych dziur?

Jeśli kolejne obserwacje poprą interpretację Cappellutiego i Magaraggii, czeka nas seria konsekwencji. Kosmologia zyska narzędzie do badania ultrawczesnych epok, znacznie wcześniejszych niż okres, z którego pochodzi promieniowanie tła. Prapierwotne czarne dziury działałyby jak sondy pamiętające warunki panujące w pierwszych mikrosekundach istnienia kosmosu.

Teoria formowania się galaktyk również wymagałaby korekty. Dodatkowa populacja gęstych, kompaktowych obiektów zmienia sposób, w jaki gromadzi się materia, jak rozrastają się halo ciemnej materii i jak kształtują się pierwsze gwiazdy. Dla fizyków cząstek to także ważny sygnał, że poszukiwania egzotycznych cząstek mogą mieć mniejsze pole do popisu, jeśli lwią część roli odgrywają czarne dziury.

Jak laik może sobie to wyobrazić?

Dla osób spoza środowiska naukowego pojęcia typu „era chromodynamiki kwantowej” brzmią jak czysta abstrakcja. Pomaga prosty obraz: wyobraź sobie garnek z wrzącą zupą, w której co chwilę unoszą się i opadają bąble. W bardzo wczesnym kosmosie takimi „bąblami” były zagęszczenia materii. Większość z nich rozpraszała się, gdy Wszechświat się rozszerzał, ale niektóre mogły być tak gęste, że same po sobie się załamywały, tworząc czarne dziury.

Przez kolejne miliardy lat takie obiekty krążyłyby niemal niewidoczne pomiędzy galaktykami i wewnątrz nich, czasem zderzając się ze sobą. Właśnie w takich rzadkich zderzeniach wytwarzają fale grawitacyjne, które dziś łapią ziemskie detektory. Każdy taki sygnał działa więc jak pocztówka wysłana z pierwszych chwil istnienia kosmosu.