Neobičan signal mogao bi dokazati postojanje primordijalnih crnih rupa

Astronomi već desetljećima pokušavaju objasniti što je tamna tvar, nevidljiva sastavnica svemira koja čini oko 85 posto sve tvari i svojim gravitacijskim učinkom drži galaksije na okupu. Upravo zato neobičan signal gravitacijskih valova, koji je LIGO zabilježio krajem prošle godine, sada privlači toliku pozornost. Dvojica astrofizičara sa Sveučilišta u Miamiju smatraju da bi taj trag mogao upućivati na postojanje primordijalnih crnih rupa, hipotetskih objekata nastalih u prvim djelićima sekunde nakon Velikog praska.

Kad bi njihovo postojanje bilo potvrđeno, posljedice bi bile velike. Primordijalne crne rupe već se dugo spominju kao jedan od mogućih odgovora na pitanje što zapravo čini tamnu tvar. Za razliku od crnih rupa koje nastaju nakon smrti masivnih zvijezda, ove bi se morale roditi mnogo ranije, u ekstremno gustom i vrućem ranom svemiru, u razdoblju kada zvijezde još nisu ni postojale.

Nico Cappelluti, izvanredni profesor fizike, i doktorand Alberto Magaraggia u novom radu tvrde da je upravo to tumačenje zasad najuvjerljivije. Njihovo istraživanje ne proglašava otkriće zaključenim, ali pokušava odgovoriti na ključno pitanje: je li LIGO doista zabilježio nešto što se ne može objasniti uobičajenim astrofizičkim procesima?

Signal koji ne stane u poznati okvir

LIGO je u studenome izdao automatsko upozorenje o sudaru dvaju kompaktnih objekata, pri čemu je barem jedan imao masu manju od mase Sunca. Tu počinje problem. Crne rupe koje nastaju nakon eksplozija zvijezda ne bi trebale imati tako malu masu. Ako je signal stvaran, a nije riječ o šumu u detektorima, tada se otvara prostor za drukčije objašnjenje.

Upravo na tome grade Cappelluti i Magaraggia. Pokušali su procijeniti koliko bi primordijalnih crnih rupa moglo postojati u svemiru i koliko bi ih LIGO uopće mogao zabilježiti. Njihov rezultat ide u prilog tezi da su takvi događaji rijetki, što se dobro slaže s činjenicom da dosad nije opažen veći broj sličnih signala.

Prema njihovoj analizi, objekt mase manje od mase Sunca, kakav je LIGO možda vidio, nema uvjerljivo klasično astrofizičko objašnjenje. Zbog toga autori smatraju da je najizglednije riječ o primordijalnoj crnoj rupi. Još važnije, njihovi izračuni upućuju na mogućnost da bi takvi objekti mogli činiti znatan dio tamne tvari, a možda čak i svu tamnu tvar u svemiru.

Rad će biti objavljen u jednom od sljedećih brojeva časopisa The Astrophysical Journal, a trenutačno je dostupan na otvorenom serveru arXiv. No sami autori pritom su oprezni. Jedan neobičan signal nije dovoljan da se zatvori slučaj. Potrebna su nova opažanja i dodatne potvrde kako bi se sa sigurnošću moglo reći je li LIGO doista prvi put dotaknuo trag iz najranijeg svemira.

Od stare ideje do nove potrage

Ideja o primordijalnim crnim rupama nije nova. Prvi su je, još u doba Hladnog rata, iznijeli sovjetski znanstvenici Jakov Zeldovič i Igor Novikov. Početkom 1970-ih dodatno ju je razradio Stephen Hawking, koji je smatrao da bi takvi objekti mogli postojati u velikom broju, zračiti energiju i možda ponuditi rješenje za zagonetku tamne tvari.

Potraga je dobila sasvim novu snagu 14. rujna 2015., kada je LIGO prvi put detektirao gravitacijske valove i otvorio novu eru astronomije. Time je ujedno pružen i izravan dokaz Einsteinove opće teorije relativnosti. LIGO zapravo čine dva velika postrojenja, u Hanfordu u saveznoj državi Washington i Livingstonu u Louisiani, a djeluje u suradnji s detektorom Virgo u Italiji i podzemnim opservatorijem KAGRA u Japanu.Zajedno čine mrežu LVK, koja prati sudare crnih rupa i drugih kompaktnih objekata.

Buduće nadogradnje trebale bi povećati osjetljivost LIGO-a, ali mogućnosti tog sustava ipak imaju jasne granice. Njegovi detektori u obliku slova L, s vakuumskim krakovima dugima oko četiri kilometra, projektirani su za bilježenje visokofrekventnih gravitacijskih valova nastalih u snažnim i razmjerno recentnim kozmičkim događajima, poput sudara crnih rupa. To ujedno znači da LIGO nije instrument koji može izravno zahvatiti gravitacijske tragove iz najranijih faza svemira, neposredno nakon Velikog praska.

Zato se pozornost već usmjerava prema novoj generaciji opservatorija. Europska svemirska agencija planira 2035. lansirati misiju LISA, svemirski opservatorij koji bi trebao bilježiti gravitacijske valove iz mnogo ranijih razdoblja kozmičke povijesti. U Sjedinjenim Državama istodobno se razvija i Cosmic Explorer, zemaljski opservatorij koji bi prema planovima trebao biti deset puta osjetljiviji od LIGO-a te registrirati sudare crnih rupa i neutronskih zvijezda sve do vremena kada su nastajale prve zvijezde. Ako buduća opažanja potvrde još sličnih signala, primordijalne crne rupe mogle bi iz teorijske mogućnosti prerasti u jedno od najvažnijih otkrića moderne kozmologije.