Astronomowie być może właśnie natrafili na ślad jednego z najbardziej nieuchwytnych fenomenów we współczesnej nauce. Zespół badawczy pod kierownictwem astrofizyków Alberto Magaraggii i Nico Cappellutiego z Uniwersytetu w Miami donosi o prawdopodobnej pierwszej bezpośredniej obserwacji pierwotnej czarnej dziury (PBH). Jeśli te doniesienia zostaną ostatecznie potwierdzone, będziemy mogli mówić o fundamentalnym przełomie w naszym rozumieniu ewolucji kosmosu oraz rozwiązaniu zagadki, która od dekad spędza sen z powiek fizykom teoretycznym: czym właściwie jest ciemna materia?
Większość czarnych dziur, o których słyszymy w kontekście współczesnych odkryć astronomicznych, to obiekty pochodzenia gwiazdowego. Powstają one w wyniku gwałtownej śmierci masywnych słońc, które po wyczerpaniu paliwa jądrowego zapadają się pod własnym ciężarem w widowiskowym wybuchu supernowej. Tego typu obiekty mają zazwyczaj masę co najmniej kilkukrotnie większą od masy naszego Słońca. Istnieją jednak teoretyczne przesłanki, że we Wszechświecie dryfują znacznie starsze i bardziej egzotyczne byty.
Pierwotne czarne dziury, bo o nich mowa, miały powstać w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu. W tym ekstremalnie wczesnym stadium rozwoju kosmosu materia nie była jeszcze sformowana w gwiazdy czy galaktyki – składała się z gęstej, gorącej „zupy” cząstek subatomicznych. Teoretycy postulują, że w wyniku fluktuacji gęstości niektóre obszary tej materii mogły stać się tak zwarte, że zapadły się bezpośrednio w czarne dziury, bez potrzeby istnienia jakiejkolwiek gwiazdy. Choć koncepcja ta jest obecna w nauce od lat, do tej pory brakowało namacalnego dowodu na ich realne istnienie.
Sygnał S251112cm: Dowód ukryty w falach grawitacyjnych
Kluczem do najnowszego odkrycia stało się Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO), posiadające detektory w Waszyngtonie i Luizjanie. Urządzenie to rejestruje subtelne zmarszczki w samej strukturze czasoprzestrzeni, wywołane przez najbardziej gwałtowne zdarzenia w kosmosie, takie jak zderzenia czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Analizując sygnał sklasyfikowany jako S251112cm, badacze dostrzegli coś niezwykłego.
Analiza danych wskazuje na kolizję dwóch obiektów, z których co najmniej jeden posiadał masę mniejszą niż masa Słońca (tzw. masa subsolarna). To odkrycie ma fundamentalne znaczenie. Według obecnej wiedzy z zakresu ewolucji gwiazd, nie istnieje mechanizm, który pozwoliłby na powstanie czarnej dziury o tak małej masie z zapadniętej gwiazdy. Obiekty o masie mniejszej niż granica Chandrasekhara kończą swój żywot jako białe karły lub gwiazdy neutronowe, a nie czarne dziury. Jedynym logicznym wyjaśnieniem istnienia tak małego, niezwykle gęstego obiektu, jest uznanie go za pierwotną czarną dziurę.
Rozwiązanie zagadki ciemnej materii?
Dlaczego odkrycie pierwotnych czarnych dziur jest tak elektryzujące dla świata nauki? Odpowiedź kryje się w ciemnej materii – hipotetycznej substancji, która nie emituje ani nie odbija światła, ale stanowi około 85 procent całej masy Wszechświata. Choć nie możemy jej zobaczyć bezpośrednio, wiemy o jej istnieniu dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu, jakie wywiera na widzialne gwiazdy i galaktyki.
Astrofizycy od dawna podejrzewali, że to właśnie pierwotne czarne dziury mogą być brakującym elementem tej układanki. Jeśli powstało ich wystarczająco dużo wkrótce po Wielkim Wybuchu, ich łączna masa mogłaby idealnie tłumaczyć efekty przypisywane ciemnej materii. Pierwotne czarne dziury mogą mieć najróżniejsze rozmiary – od wielkości atomu, przez masy odpowiadające planetoidom, aż po obiekty o masie subsolarnej. Są one idealnymi kandydatami na ciemną materię, ponieważ są niemal niemożliwe do wykrycia, dopóki nie wejdą w gwałtowną interakcję z innym obiektem, generując fale grawitacyjne.
Statystyczne potwierdzenie hipotezy
Magaraggia i Cappelluti nie ograniczyli się jedynie do analizy pojedynczego sygnału. Przeprowadzili oni zaawansowane obliczenia statystyczne dotyczące przewidywanej liczby pierwotnych czarnych dziur w przestrzeni kosmicznej oraz częstotliwości, z jaką instrumenty takie jak LIGO powinny je rejestrować. Wyniki ich symulacji okazały się zadziwiająco spójne z danymi gromadzonymi przez detektory od 2015 roku.
„Nasze wyniki są bardzo zachęcające” – tłumaczy Magaraggia. Naukowcy przewidują, że subsolarne czarne dziury powinny być rzadkim znaleziskiem, co doskonale koresponduje z faktem, że do tej pory zaobserwowaliśmy zaledwie pojedyncze incydenty tego typu. Fakt, że częstotliwość detekcji zgadza się z modelami teoretycznymi, dodaje wiarygodności tezie, że LIGO rzeczywiście rejestruje obiekty pamiętające początki czasu.
Przyszłość detekcji i nowe horyzonty
Choć sygnał S251112cm stanowi niezwykle mocną poszlakę, społeczność naukowa czeka na tzw. „smoking gun” – niepodważalny dowód w postaci kolejnych, podobnych detekcji. Szanse na to rosną z każdym rokiem. Systemy LIGO przechodzą regularne modernizacje, zwiększając swoją czułość i zasięg obserwacji. Prawdziwy przełom może jednak nastąpić w 2035 roku wraz z misją LISA (Laser Interferometer Space Antenna) przygotowywaną przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA).
LISA będzie kosmicznym interferometrem fal grawitacyjnych, który dzięki umieszczeniu w przestrzeni międzyplanetarnej będzie wolny od szumów sejsmicznych Ziemi. Pozwoli to na wykrywanie znacznie szerszego spektrum fal, w tym tych pochodzących od mniejszych i starszych pierwotnych czarnych dziur. Jeśli te obiekty rzeczywiście istnieją, nowa generacja instrumentów pozwoli nam stworzyć ich mapę i ostatecznie potwierdzić, czy to właśnie one trzymają w ryzach całe galaktyki. Badania Magaraggii i Cappellutiego, które zostaną opublikowane w prestiżowym „The Astrophysical Journal”, stanowią kamień milowy na tej drodze, otwierając nowy rozdział w badaniu ewolucji naszego kosmosu.