Ciemna materia: jak pierwotne czarne dziury mogą wyjaśnić długoletnią tajemnicę

Zapisz się na biuletyn naukowy CNN dotyczący teorii cudów. Eksploruj wszechświat dzięki wiadomościom o fascynujących odkryciach, postępach naukowych i nie tylko.

CNN
—

Od około 50 lat społeczność naukowa boryka się z poważnym problemem: we wszechświecie jest za mało widocznej materii.

Cała materia, którą widzimy – gwiazdy, planety, pył kosmiczny i wszystko pomiędzy – nie potrafi wyjaśnić, dlaczego Wszechświat zachowuje się w taki, a nie inny sposób, a wokół nas musiałoby być pięć razy więcej materii, aby obserwacje badaczy były skuteczne. ma sens. Według NASA. Naukowcy nazywają tę substancję ciemną materią, ponieważ nie oddziałuje ze światłem i jest niewidoczna.

W latach 70. amerykańscy astronomowie Vera Rubin i… Kent Ford odkrył istnienie ciemnej materii, obserwując gwiazdy krążące wokół krawędzi galaktyk spiralnych. Zauważyli, że gwiazdy te poruszały się zbyt szybko, aby mogły być utrzymane razem przez widoczną materię i grawitację galaktyki, i zamiast tego powinny były zostać zdmuchnięte. Jedynym wyjaśnieniem było to, że galaktykę spajała duża ilość niewidzialnej materii.

„Co widzisz w galaktyce spiralnej” Powiedział Robin W tamtym czasie „to nie jest to, co dostajesz”. Jej praca opierała się na hipotezie sformułowanej przez szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky’ego w latach trzydziestych XX wieku i rozpoczęła poszukiwania nieuchwytnej materii.

Od tego czasu naukowcy próbują bezpośrednio obserwować ciemną materię, a nawet ją budować Świetne urządzenia Aby to odkryć, ale jak dotąd nie mieliśmy szczęścia.

Na początku badań słynny brytyjski fizyk Stephen Hawking postawił hipotezę, że ciemna materia może ukrywać się w czarnych dziurach – będących głównym tematem jego prac – powstałych podczas Wielkiego Wybuchu.

Teraz nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z MIT ponownie postawiło tę teorię w centrum uwagi, ujawniając, z czego zbudowane są te pierwotne czarne dziury, i potencjalnie odkrywając przy tym zupełnie nowy typ egzotycznej czarnej dziury.

„To była naprawdę miła niespodzianka” – powiedział David Kaiser, jeden z autorów badania.

„Wykorzystaliśmy słynne obliczenia Stephena Hawkinga dotyczące czarnych dziur, a zwłaszcza jego ważny wynik dotyczący promieniowania emitowanego przez czarne dziury” – powiedział Kaiser. „Te dziwne czarne dziury powstają w wyniku prób rozwiązania problemu ciemnej materii. Są produktem ubocznym wyjaśnienia ciemnej materii”.

Naukowcy dokonali wielu domysłów na temat tego, czym jest ciemna materia, począwszy od nieznanych cząstek po dodatkowe wymiary. Jednak teoria Hawkinga o czarnych dziurach weszła w życie dopiero niedawno.

„Ludzie nie traktowali tego poważnie aż do jakichś 10 lat temu” – stwierdziła współautorka badania Elba Alonso Monsalve, absolwentka MIT. „Dzieje się tak, ponieważ kiedyś czarne dziury wydawały się naprawdę naciągane. Na początku XX wieku ludzie uważali, że są one po prostu zabawnym faktem matematycznym, a nie tylko faktem fizycznym”.

Teraz wiemy, że prawie każda galaktyka zawiera w swoim centrum czarną dziurę – odkryli naukowcy Einsteina Fale grawitacyjne Utworzony w wyniku zderzenia czarnych dziur w 2015 r. – przełomowe odkrycie – pokazał, że są one wszędzie.

„W rzeczywistości wszechświat jest pełen czarnych dziur” – powiedział Alonso Monsalve. „Ale nie znaleziono żadnej cząstki ciemnej materii, chociaż ludzie szukali jej we wszystkich miejscach, w których spodziewali się ją znaleźć, nie oznacza to, że ciemna materia nie jest cząstką lub że na pewno są to czarne dziury jedno i drugie, ale teraz „czarne dziury są traktowane poważnie jako kandydatki na ciemną materię”.

ostatni Nowoczesne studia Hipoteza Hawkinga została potwierdzona, ale prace Alonso Monsalviego i Kaisera, profesora fizyki i profesora historii nauki w Instytucie Germshausen na MIT, idą o krok dalej i przyglądają się dokładnie, co stało się, gdy pierwotne czarne dziury jako pierwsze uformowany. .

the Zostańopublikowany 6 czerwca w czasopiśmie Physical Review Letters, ujawnia, że ​​te czarne dziury musiały pojawić się w ciągu pierwszych pięciu milionowych sekundy Wielkiego Wybuchu: „To bardzo wcześnie, dużo wcześniej niż moment pojawienia się protonów i neutronów, ” Alonso Monsalve powiedział: „Uformowały się cząsteczki, z których składa się wszystko”.

Dodała, że ​​w naszym codziennym świecie nie znajdziemy zdezintegrowanych protonów i neutronów, które są cząstkami elementarnymi. Wiemy jednak, że tak nie jest, ponieważ składa się z mniejszych cząstek zwanych kwarkami, utrzymywanych razem przez inne cząstki zwane gluonami.

„Nie można teraz znaleźć we wszechświecie samych i wolnych kwarków i gluonów, ponieważ jest za zimno” – dodał Alonso Monsalvi. „Ale na początku Wielkiego Wybuchu, kiedy było bardzo gorąco, można było je znaleźć samotne i wolne. Zatem pierwotne czarne dziury powstały w wyniku absorpcji wolnych kwarków i gluonów.

Taka konfiguracja radykalnie różniłaby się od astrofizycznych czarnych dziur, które naukowcy zwykle obserwują we wszechświecie, a które powstają w wyniku zapadania się gwiazd. Pierwotna czarna dziura również byłaby znacznie mniejsza, a jedynie masa asteroidy byłaby skondensowana do wielkości jednego atomu. Jeśli jednak wystarczająca liczba tych pierwotnych czarnych dziur nie wyparuje na początku Wielkiego Wybuchu i nie przetrwa do dziś, mogą być odpowiedzialne za całą lub większość ciemnej materii.

Z badania wynika, że ​​podczas formowania się pierwotnych czarnych dziur, jako produkt uboczny musiał powstać inny rodzaj niewidzialnej czarnej dziury. To byłoby mniejsze, tylko blok A jednorożecskondensowany do rozmiaru mniejszego niż jeden proton.

Te maleńkie czarne dziury, ze względu na swoje małe rozmiary, były w stanie uchwycić rzadką i dziwną właściwość zupy kwarkowo-gluonowej, w której powstały, zwaną „ładunkiem koloru”. Jest to stan naładowania, który występuje wyłącznie w kwarkach i gluonach i nigdy nie występuje w zwykłych obiektach, powiedział Kaiser.

Ten kolorowy ładunek czyniłby ją wyjątkową wśród czarnych dziur, które zwykle nie mają żadnego ładunku. „Nieuniknione jest, że te mniejsze czarne dziury również powstały jako produkt uboczny (powstawania pierwotnych czarnych dziur), ale dzisiaj już by nie istniały, ponieważ wyparowałyby” – powiedział Alonso Monsalve.

Jeśli jednak do Wielkiego Wybuchu, w którym utworzyły się protony i neutrony, pozostało jeszcze około dziesięciu milionowych sekundy, mógłby pozostawić zauważalne ślady, zmieniając równowagę między dwoma typami cząstek.

„Równowaga między liczbą protonów a liczbą powstałych neutronów jest bardzo delikatna i zależy od tego, jaka inna materia była wówczas obecna we wszechświecie” – dodała. „Jeśli te czarne dziury z kolorowymi ładunkami nadal istniały, to tak mogłoby zmienić równowagę między protonami i neutronami.” (W jednym lub drugim), co wystarczy, aby zmierzyć to w ciągu najbliższych kilku lat.

Kaiser powiedział, że pomiary mogą pochodzić z naziemnych teleskopów lub czułych instrumentów na orbitujących satelitach. Dodał, że może istnieć inny sposób potwierdzenia istnienia tych dziwnych czarnych dziur.

„Powstanie gromady czarnych dziur jest niezwykle gwałtownym procesem, który powoduje powstanie ogromnych zmarszczek w otaczającej czasoprzestrzeni. Tempo to będzie się zmniejszać w trakcie historii kosmosu, ale nie do zera” – powiedział Kaiser detektorów grawitacji mogłoby się przyjrzeć.” „Przebłysk czarnych dziur o małych masach – egzotycznego stanu materii, który był nieoczekiwanym produktem ubocznym bardziej zwyczajnych czarnych dziur i który mógłby wyjaśnić dzisiejszą ciemną materię”.

Co to oznacza dla trwających eksperymentów mających na celu wykrycie ciemnej materii, m.in Eksperyment z ciemną materią LZ W Południowej Dakocie?

„Idea nowych, dziwnych cząstek pozostaje interesującą hipotezą” – powiedział Kaiser. Istnieją inne rodzaje dużych eksperymentów, niektóre w budowie, poszukujące innowacyjnych sposobów wykrywania fal grawitacyjnych. Mogą one w rzeczywistości wychwytywać pewne sygnały z niezwykle gwałtownego procesu formowania się pierwotnych czarnych dziur.

Alonso Monsalvi dodał, że istnieje również możliwość, że pierwotne czarne dziury stanowią jedynie niewielką część ciemnej materii. „Wcale nie musi być tak samo” – powiedziała. „Istnieje pięć razy więcej ciemnej materii niż normalnej, a normalna materia składa się z całej masy różnych cząstek. Dlaczego więc ciemna materia musi być obiektem jednego rodzaju?”

Pierwotne czarne dziury odzyskały popularność wraz z odkryciem fal grawitacyjnych, jednak według Nico Capellotti, adiunkta na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Miami, niewiele wiadomo na temat ich powstawania. Nie brał udziału w badaniu.

„Ta praca stanowi interesującą i realną opcję wyjaśnienia nieuchwytnej ciemnej materii” – powiedział Capellotti.

Badanie jest ekscytujące i sugeruje nowy mechanizm powstawania czarnej dziury pierwszej generacji, powiedziała Priyamvada Natarajan, profesorowie astronomii i fizyki Josepha S. i Sophii S. Fruton na Uniwersytecie Yale. Ona również nie brała udziału w badaniu.

„Cały wodór i hel w naszym dzisiejszym wszechświecie powstał w ciągu pierwszych trzech minut i gdyby istniała wystarczająca liczba tych pierwotnych czarnych dziur już wtedy, wpłynęłyby one na ten proces i skutki te mogłyby być wykrywalne” – powiedział Natarajan. .

„Fakt, że jest to hipoteza możliwa do sprawdzenia obserwacyjnego, jest dla mnie naprawdę ekscytujący, poza faktem, że sugeruje, że natura prawdopodobnie tworzyła czarne dziury począwszy od najdawniejszych czasów wieloma drogami”.