Czy fizycy właśnie znaleźli pierwszy prymordialny czarny dziurę?

Niewielki, ledwie „ćwierćsłoneczny” obiekt zarejestrowany w falach grawitacyjnych wywraca do góry nogami nasze wyobrażenia o kosmosie.

Nowa analiza danych z detektorów LIGO, Virgo i KAGRA sugeruje, że astrofizycy mogli po raz pierwszy natrafić na ślad czarnej dziury, która nie powstała z gwiazdy, lecz w pierwszych mikrosekundach po Wielkim Wybuchu. Jeśli ta interpretacja się utrzyma, zmieni się sposób, w jaki patrzymy na materię ciemną i narodziny Wszechświata.

Nietypowy sygnał w danych z LIGO

Cała historia zaczęła się od rejestracji fali grawitacyjnej oznaczonej kryptonimem S251112cm. Dla współpracy LVK (LIGO–Virgo–KAGRA) to chleb powszedni: obserwatoria regularnie „słyszą” zderzenia i łączenie się czarnych dziur o masach kilku, kilkunastu czy kilkudziesięciu Słońc. Tutaj liczby od razu zwróciły uwagę zespołu.

Analiza sygnału pokazała, że jeden z dwóch łączących się obiektów ma masę wyraźnie niższą od masy Słońca – w granicach 0,1–0,87 masy słonecznej. Tego typu wartości zwykle oznaczają gwiazdę neutronową, czyli skrajnie gęsty „trup” po eksplozji supernowej. Naukowcy zaczęli więc szukać potwierdzenia w innym rodzaju promieniowania.

Gdy łączą się gwiazdy neutronowe, często – choć nie zawsze – pojawia się błysk promieniowania gamma, poświata w świetle widzialnym czy sygnał w rentgenie. W tym wypadku teleskopy nie wykryły niczego podobnego. To poważny argument przeciwko scenariuszowi z gwiazdą neutronową w roli głównej.

Sygnał S251112cm wskazuje na obiekt zbyt lekki jak na „tradycyjną” czarną dziurę i zbyt cichy jak na gwiazdę neutronową. Coś się tu nie zgadza z dotychczasową wiedzą o ewolucji gwiazd.

Dlaczego ta masa jest tak „niemożliwa”

Według obecnych modeli astrofizycznych czarne dziury powstające z zapadania się masywnych gwiazd powinny mieć co najmniej około trzy masy Słońca. Poniżej tej granicy ciśnienie wewnątrz gwiazdy i efekty kwantowe zatrzymują całkowite załamanie materii. Dlatego fizycy mówią o „dziurze masowej” – zakresie mas, w którym czarne dziury po prostu nie powinny się rodzić w znanym procesie gwiazdowym.

Obiekt z S251112cm wpada właśnie w tę niedozwoloną strefę. Mamy więc trzy podstawowe opcje:

• to gwiazda neutronowa – ale brak sygnału elektromagnetycznego temu nie sprzyja,
• to bardzo egzotyczny obiekt, którego fizyka jeszcze nie opisuje dobrze,
• to czarna dziura innego pochodzenia niż gwiezdne – tak zwana prymordialna.

Tę trzecią hipotezę rozważają autorzy pracy naukowej opublikowanej w serwisie arXiv i zgłoszonej do czasopisma „The Astrophysical Journal”. Ich zdaniem najbardziej spójne z danymi wyjaśnienie prowadzi właśnie do czarnych dziur narodzonych w skrajnie młodym kosmosie.

Czarna dziura wielkości miasta

Czarna dziura o masie 0,87 Słońca jest zdumiewająco kompaktowa. Promień takiego obiektu wyniósłby około 2,5 km, co daje średnicę w okolicach 5 km. To mniej więcej obszar ścisłego centrum średniego miasta – a w tym mikroskopijnym na skalę kosmiczną „krążku” upakowane byłoby niemal całe Słońce.

Dla porządku: gwiazda neutronowa o zbliżonej masie jest trochę większa, ma zwykle 20–30 km średnicy. Czarna dziura tej masy to jeszcze o rząd wielkości większe ściśnięcie materii. Żaden znany mechanizm „zwykłej” ewolucji gwiazd nie pozwala na stworzenie takiego potwora.

Tak ekstremalna gęstość wskazuje na inne „warunki startowe” niż supernowa. Tu na scenę wchodzą wczesne fazy historii kosmosu, gdy panowały temperatury i zagęszczenia materii, których dziś nie potrafimy odtworzyć nawet w największych akceleratorach cząstek.

Czym w ogóle są prymordialne czarne dziury

Koncepcja prymordialnych czarnych dziur pojawiła się kilkadziesiąt lat temu, a jednym z jej promotorów był Stephen Hawking. Według tej idei tuż po Wielkim Wybuchu Wszechświat wypełniała gorąca plazma, w której lokalne „zgrubienia” gęstości mogły zapadać się grawitacyjnie, tworząc czarne dziury bez udziału gwiazd.

Takie obiekty mogły przyjmować bardzo różne masy: od mikroskopijnych po równe setkom mas Słońca. Część z nich dawno już wyparowała przez proces Hawkinga, ale większe mogły przetrwać do dziś, ukrywając się przed wykryciem praktycznie we wszystkich zakresach promieniowania.

Prymordialne czarne dziury nie potrzebują gwiazdy, supernowej ani długiej ewolucji. Wystarczy chwilowe „przegięcie” gęstości materii w pierwszych mikrosekundach istnienia kosmosu.

Nowa analiza S251112cm skupia się na etapie, który fizycy nazywają erą chromodynamiki kwantowej (QCD). To moment, gdy Wszechświat miał wiek liczony w mikrosekundach. Gęstość i temperatura pozwalały, by nawet stosunkowo małe „skupiska” materii zapadały się do czarnych dziur, jeśli tylko nieco odstawały gęstością od otoczenia.

Ciemna materia zbudowana z miniaturowych czarnych dziur?

Jeżeli obiekt z S251112cm faktycznie okaże się prymordialną czarną dziurą, konsekwencje sięgają znacznie dalej niż jedna egzotyczna detekcja. Od dziesięcioleci fizycy łamią sobie głowę nad naturą materii ciemnej – niewidzialnej masy, która ujawnia się jedynie przez grawitację i stanowi około 85 procent całej materii w kosmosie.

Najczęściej rozważany scenariusz zakładał istnienie nieznanych cząstek, na przykład tak zwanych WIMP-ów. Dziesiątki eksperymentów pod ziemią i w kosmosie szukały ich sygnału, jak na razie bez skutku. Tu na horyzoncie pojawia się alternatywa: może ciemna materia wcale nie składa się z nowych cząstek, tylko z ogromnej liczby małych czarnych dziur z ery prymordialnej?

Autorzy badania podkreślają, że pojedynczy kandydat niczego nie rozstrzyga. Wskazują jednak, że jeśli rozkład mas takich obiektów będzie zgodny z teoretycznymi przewidywaniami, prymordialne czarne dziury mogą stanowić znaczącą część, a być może nawet całość ciemnej materii. W takim scenariuszu kosmos pełen jest miniaturowych czarnych dziur, które od miliardów lat krążą po galaktykach jak „ciężkie” ziarenka wpływające grawitacyjnie na zwykłą materię.

Naukowcy ostrożni: to na razie kandydat

Mimo dużej ekscytacji w środowisku astrofizycznym, badacze zachowują spory dystans. W publikacji wyraźnie piszą o „kandydacie” na prymordialną czarną dziurę. Statystycznie szansa, że jeden z obiektów z fuzji ma masę mniejszą niż Słońce, przekracza 99 procent. To mocny sygnał, ale wciąż nie absolutna pewność.

Naukowcy muszą jeszcze dokładniej przeanalizować inne możliwe wyjaśnienia, między innymi skomplikowane oddziaływania w bardzo gęstych gromadach gwiazd, gdzie obiekty mogą wymieniać się partnerami i zderzać w nieoczywisty sposób. Drobne błędy w modelach takich układów czasem imitują dziwne masy w danych z fal grawitacyjnych.

Jeśli w trwającej serii obserwacyjnej pojawi się drugi, trzeci podobny sygnał, prymordialne czarne dziury przejdą z kategorii „ciekawy pomysł” do „namierzalnych obiektów astrofizycznych”.

Współpraca LVK już prowadzi kolejną kampanię obserwacyjną. Detektory działają z coraz większą czułością, obejmując rosnącą część kosmosu. Każdy nowy sygnał o masie poniżej Słońca będzie teraz analizowany wyjątkowo uważnie.

Fale grawitacyjne jako nowe „uszy” na kosmos

Jeszcze kilkanaście lat temu fala grawitacyjna była czysto teoretycznym zjawiskiem z równań Einsteina. Od 2015 roku LIGO i Virgo regularnie rejestrują je w formie drobnego „drżenia” przestrzeni, mniejszego niż ułamek średnicy protonu. Dzięki temu astrofizycy po raz pierwszy mogą badać obiekty, które praktycznie nie świecą w żadnym paśmie elektromagnetycznym.

Czarne dziury prymordialne są wręcz idealnym celem dla takiej metody. Z definicji nie wypromieniowują światła, a ich główny „ślad” to grawitacja. Gdy łączą się ze sobą, generują charakterystyczny szum w falach grawitacyjnych. Właśnie taką sygnaturę wyłapał system analizujący dane LVK.

To dobry przykład, jak nowy typ obserwatorium kosmicznego otwiera kompletnie inne drzwi do badania przeszłości Wszechświata. Teleskopy rejestrują światło z czasów, gdy powstawały pierwsze gwiazdy i galaktyki. Fale grawitacyjne pozwalają zajrzeć jeszcze wcześniej – w okres, gdy kosmos był nieprzezroczystą, wrzącą zupą cząstek.

Co ten wynik oznacza dla „zwykłego” odbiorcy

Dla większości osób to wszystko brzmi jak bardzo egzotyczna fizyka, ale konsekwencje są dość namacalne. Jeżeli ciemna materia faktycznie okaże się zbiorem małych czarnych dziur, zmieni się sposób, w jaki wyjaśniamy strukturę galaktyk, rozmieszczenie gromad czy tempo rozszerzania się kosmosu. Modele kosmologiczne trzeba będzie dostroić od podstaw.

Warto też pamiętać, że mowa o obiektach, które mogą krążyć również w naszej galaktyce, a nawet w pobliżu Układu Słonecznego. Nie oznacza to zagrożenia – miniaturowa czarna dziura o masie ułamka Słońca, przechodząc daleko od Ziemi, praktycznie nie miałaby na nas wpływu. Jej obecność odczuwałoby się tylko w bardzo dokładnych pomiarach orbit gwiazd czy statków kosmicznych.

Najciekawsze jest to, że jeden nietypowy sygnał w danych z LIGO zmusza fizyków do konfrontacji z pytaniami, które wydawały się zbyt abstrakcyjne na praktyczne testy. Czy ciemna materia to naprawdę cząstki, czy raczej gęsto upakowane czarne dziury z pierwszych chwil kosmosu? Jak dokładnie wyglądała faza tuż po Wielkim Wybuchu? Kolejne lata obserwacji fal grawitacyjnych mogą wreszcie dostarczyć twardych odpowiedzi, a nie tylko eleganckich równań na tablicy.