Ny forskning peker mot en oppsiktsvekkende mulighet: Spor etter et univers før Big Bang kan fortsatt påvirke galaksene vi ser i dag. Ifølge en ny vitenskapelig studie kan såkalte relikvie-svarte hull, dannet før vår kosmiske «start», være en kandidat til å forklare mørk materie – et av de største uløste mysteriene i moderne kosmologi.
Svarte hull er områder i romtiden der stoff er presset sammen så ekstremt at tyngdekraften dominerer fullstendig. Mørk materie, på sin side, er stoff som verken sender ut, reflekterer eller absorberer lys. Likevel vet forskere at den må eksistere, fordi den utøver en tydelig gravitasjonell effekt på galakser og andre strukturer i universet.
Mørk materie omtales ofte som «limet» som holder galakser sammen. Problemet er at ingen ennå vet hva den består av på et grunnleggende nivå. Den vanligste antakelsen blant fysikere er at mørk materie består av en hittil uoppdaget subatomær partikkel.
Men det finnes en annen mulighet: svært gamle svarte hull kan også passe inn i beskrivelsen. De er usynlige for lys, men har masse – akkurat de egenskapene mørk materie må ha for å forklare hvordan galakser oppfører seg.
En ny vri på Big Bang
I den nye studien undersøkes et scenario der Big Bang ikke var det absolutte startpunktet for tid og rom. I stedet kan universet ha eksistert i en tidligere fase, der det først trakk seg sammen før det «spratt tilbake» og gikk inn i en ny periode med ekspansjon. I en slik modell representerer Big Bang overgangen mellom sammentrekning og utvidelse.
Den tradisjonelle Big Bang-modellen har hatt stor suksess. Den forklarer den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, et slags etterglød fra det tidlige universet, og den forutsier fordelingen av galakser i stor skala med imponerende presisjon.
Samtidig finnes det en velkjent utfordring: I Einsteins generelle relativitetsteori beskrives Big Bang som en singularitet, et punkt der tettheten blir uendelig og der fysikkens kjente lover bryter sammen. Mange forskere tolker dette som et tegn på at teorien er ufullstendig for de aller tidligste øyeblikkene.
Et «sprettpunkt» i stedet for singularitet
En alternativ idé er en såkalt «bouncy» kosmologi, på norsk gjerne omtalt som en sprett- eller rebound-modell. Her når universet en ekstremt høy, men endelig tetthet, før det vender tilbake til ekspansjon. I stedet for at alt ender i et matematisk uendelig punkt, får man en fysisk overgang som kan være mulig å beskrive med en kombinasjon av gravitasjon og kvantemekaniske effekter.
Forskerne argumenterer for at en slik «sprettpassasje» kan oppstå uten å innføre helt nye og spekulative naturkrefter, dersom man tar hensyn til hvordan gravitasjon og kvantefysikk virker sammen ved ekstremt høye tettheter.
Hvorfor gamle strukturer kan overleve
I standard kosmologi følger Big Bang raskt av en fase med ekstremt rask utvidelse, ofte kalt inflasjon. Denne fasen vil i praksis viske ut spor av eventuelle strukturer fra før Big Bang.
I en sprettmodell er situasjonen annerledes. I studien antydes det at objekter og strukturer over en viss størrelse kan ha overlevd overgangen fra sammentrekning til ekspansjon. Det åpner for at universet kan bære med seg «relikvier» fra en tidligere kosmisk epoke.
Slike relikvier kan for eksempel være svarte hull, gravitasjonsbølger eller små variasjoner i tetthet som senere påvirker hvordan materie samler seg i galakser.
Kvantetrykk som kan stoppe kollapsen
Et viktig element i resonnementet er et kvantefysisk fenomen knyttet til Pauli-eksklusjonsprinsippet. Dette prinsippet innebærer at bestemte typer partikler ikke kan befinne seg i samme kvantetilstand. Ved ekstremt høy tetthet kan det gi opphav til et trykk som motvirker videre sammentrykning, selv uten høy temperatur.
I modellen som diskuteres, kan en tilsvarende effekt bidra til at universet ikke kollapser helt, men i stedet «spretter» tilbake. Da kan enkelte strukturer fra kollapsfasen overleve og bli med over i den nye ekspanderende fasen.
To veier til relikvie-svarte hull
Studien skisserer to hovedmåter relikvie-svarte hull kan oppstå på:
Den første er direkte overlevelse. Kompakte objekter og små forstyrrelser i tetthet eller gravitasjon som oppstår under sammentrekningen, kan overleve selve sprettet.
Den andre veien handler om hva som skjer under sammentrekningen. Når universet trekker seg sammen, vil materie naturlig klumpe seg sammen under gravitasjon, i strukturer som kan minne om de halostrukturene der galakser senere dannes. Etter sprettet kan disse klumpene kollapse effektivt og danne svarte hull.
Gamle stjerner og galakser fra sammentrekningsfasen kan i praksis ende opp som svarte hull. Da forsvinner mye av den detaljerte strukturen, men massen blir bevart.
Kan dette være mørk materie?
Spørsmålet forskerne stiller, er om slike relikvie-svarte hull kan utgjøre mørk materie. I flere tiår har hovedsporet vært ukjente partikler, men til tross for omfattende leteprogrammer er ingen av de mest populære kandidatene funnet.
Relikvie-svarte hull blir derfor løftet frem som et alternativ. Dersom det dannes nok av dem i en sprettmodell, kan de i teorien utgjøre en betydelig – og kanskje dominerende – del av den mørke materien i universet.
Mulig kobling til James Webb-observasjoner
Ideen knyttes også til et ferskt observasjonsmysterium. James Webb Space Telescope har observert en gruppe kompakte, svært røde objekter i det tidlige universet, ofte omtalt som «little red dots». Disse ser ut til å være uventet massive og lyssterke allerede noen hundre millioner år etter Big Bang.
Mange astronomer mistenker at de henger sammen med raskt voksende svarte hull, kanskje som forløpere til de supermassive svarte hullene som i dag finnes i sentrum av mange galakser. I standard kosmologi er det utfordrende å forklare hvordan så store objekter kan dannes så tidlig.
Relikvie-svarte hull kan i et slikt bilde fungere som «ferdige frø» som allerede finnes like etter sprettet. Da trenger ikke universet å bygge alt fra bunnen av, og supermassive svarte hull kan vokse fra eldre overlevende objekter i stedet for å starte som små nykommere.
Må testes mot data
Forskerne understreker at mye arbeid gjenstår. Slike ideer må måles opp mot observasjoner, blant annet gjennom leting etter bakgrunnsstøy av gravitasjonsbølger, kartlegging av galaksefordelingen og presise målinger av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.
Likevel er implikasjonen stor: Universet kan ha hatt en historie før Big Bang, og de mørke strukturene som former galakser i dag, kan i så fall være relikvier fra en tid som kom før vår kosmiske ekspansjon startet.
