Jeśli chodzi o podejrzenie, że pierwotne czarne dziury są ciemną materią, ich wymówka może wkrótce się rozpaść. Maleńkie czarne dziury, które powstały kilka sekund po narodzinach Wszechświata, mogą przetrwać dłużej, niż oczekiwano, budząc nowe podejrzenia, że pierwotne czarne dziury mogą być odpowiedzialne za ciemną materię, najbardziej tajemniczą materię we wszechświecie.
Ciemna materia stanowi obecnie jeden z najpilniejszych problemów fizyki. Dzieje się tak dlatego, że choć szacuje się, że stanowi 85% materii we wszechświecie, ciemna materia pozostaje niewidoczna dla naszych oczu, ponieważ nie oddziałuje ze światłem.
Ponieważ cząstki tworzące atomy „zwykłych” obiektów, które widzimy, takich jak gwiazdy, planety i nasze własne ciała, wyraźnie oddziałują ze światłem, skłoniło to do poszukiwań cząstek ciemnej materii poza standardowym modelem cząstek fizyka. Wielu naukowców uważa, że odpowiedź nadal kryje się w Modelu Standardowym, jednak jeśli spojrzymy na mniejszego kuzyna obiektów kosmicznych, zwykle postrzegamy je jako niezwykle masywne, a nawet potworne: czarne dziury.
Powiązany: Nowe zdjęcie supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej wskazuje na ekscytującą ukrytą cechę (zdjęcie)
Naukowiec z Instytutu Maxa Plancka Walenty Tos I Anna Fernandez Aleksandra Niedawno w takich badaniach wzięło udział dwóch badaczy z Uniwersytetu w Lizbonie. Wysuwają hipotezę, że małe czarne dziury, które powstały ponad 13,8 miliarda lat temu, bezpośrednio po Wielkim Wybuchu i są nie większe niż proton, mogły połączyć się w podejrzaną ciemną materię bez potrzeby stosowania nowej fizyki.
Niedawna zmiana w sposobie myślenia o tym, jak czarne dziury „odparowują” doprowadziła nie tylko do ponownej oceny żywotności pierwotnych czarnych dziur w związku z podejrzeniem ciemnej materii, ale także w związku z tym, że poszukiwania cząstek ciemnej materii w dalszym ciągu dają w większości ślepe światło, może się rozpocząć do… Więcej badaczy poważniej przygląda się teorii ciemnej materii pierwotnej czarnej dziury.
Czym są pierwotne czarne dziury?
„Jak sama nazwa wskazuje, pierwotne czarne dziury to rodzaj czarnych dziur, które powstały na początku wszechświata” – powiedział Thos Space.com. „Właściwie w ciągu pierwszego ułamka sekundy wszechświata.”
Wyjaśnił, że wszystkie struktury, które obserwujemy we wszechświecie, od supergromad galaktyk po galaktyki same w sobie, powstają w wyniku niewielkich nadmiernych gęstości w przestrzeni, które były obecne na początku wszechświata. Gdyby we wczesnym Wszechświecie występowały wahania gęstości znacznie silniejsze niż te, które utworzyły te cechy, a fluktuacje te zapadałyby się wcześniej, niż faktycznie powstały galaktyki, te niezwykle gęste plamy mogłyby stymulować pierwotne czarne dziury.
W zależności od tego, kiedy nastąpiło to zapadnięcie, a także od rozmiaru zapadnięcia, te pierwotne czarne dziury będą miały bardzo różne masy, dodał Thos. Pierwotne czarne dziury uważane przez Thosa i Fernandeza-Alexandera za możliwych kandydatów na ciemną materię miałyby, a dokładniej, masy od kilku ton do tysiąca ton, czyli mniej niż masa planety i więcej w kategorii małych mas asteroida.
Biorąc pod uwagę, że najmniejsze czarne dziury, jakie naukowcy odkryli do tej pory, znane jako czarne dziury o masie gwiazdowej, mają masy odpowiadające masie od 3 do 50 mas Słońca, co samo w sobie stanowi 2,2 razy 10 do potęgi 27 (22, po których następuje 26 ). (Zera) ton – Te pierwotne czarne dziury są niewiarygodnie małe.
Według Fernandez-Alexandera, podobnie jak ich większe odpowiedniki w postaci czarnych dziur, które powstały w wyniku zapadnięcia się masywnych gwiazd lub połączenia stosunkowo mniejszych czarnych dziur, pierwotne czarne dziury miałyby zatrzymującą światło zewnętrzną granicę zwaną horyzontem zdarzeń. Średnica tego horyzontu zależy od masy czarnej dziury, co oznacza, że w takich przypadkach horyzont zdarzeń byłby niewiarygodnie mały. „Mniejszy niż promień protonu” – powiedział Fernandez-Alexander.
Małe pierwotne czarne dziury były wcześniej wykluczane jako kandydaci na ciemną materię, ponieważ uważa się, że wszystkie czarne dziury „wyciekają” rodzaj promieniowania cieplnego, który po raz pierwszy postawił hipotezę Stephena Hawkinga w 1974 r. i nazwał go później „promieniowaniem Hawkinga”.
Im mniejsza czarna dziura, tym szybciej promieniowanie Hawkinga może uciec, a zatem szybciej musi wyparować. Oznacza to, że jeśli w ogóle istniały pierwotne czarne dziury, najmniejsze ich przykłady nie powinny dzisiaj istnieć, ale ciemna materia niewątpliwie tak.
„Pierwotne czarne dziury o masach, które obecnie badamy z Anną, wcześniej uważano za mało prawdopodobne, ponieważ zakładano, że do tego czasu we wszechświecie całkowicie wyparowały” – powiedział Thos.
Jednak niedawna praca György Dvali, fizyka teoretycznego z Uniwersytetu w Monachium, który współpracował z Thosem i Fernandez-Alexanderem, sugeruje, że proces parowania w pewnym momencie ulega przerwaniu. Oznacza to, że pierwotne czarne dziury o masach uznawanych przez naukowców mogły osiągnąć stan quasi-stacjonarny.
„Aby zmniejszyć swoją masę poprzez emisję promieniowania Hawkinga, czarna dziura musi przepisać swoje informacje lub zrobić coś innego. A ten proces przepisywania wymaga czasu” – wyjaśnił Fernandez-Alexander. „Nazywa się to «obciążeniem pamięci», ponieważ pamięć ta musi teraz zająć się czymś innym, co spowalnia ogólny proces wyparowywania. Jest to więc rodzaj stabilizacji”.
Ten „mechanizm ratunkowy” oznacza, że pierwotne czarne dziury powracają jako potencjalni kandydaci na ciemną materię!
Martwy sygnał ciemnej materii?
Jednak fakt, że pierwotne czarne dziury istnieją obecnie we wszechświecie, nie oznacza od razu, że należy je uważać za podejrzane o ciemną materię. W rzeczywistości istnieją inne powody, aby powiązać te małe, hipotetyczne czarne dziury z tajemniczą zawartością materii we Wszechświecie.
Być może najbardziej oczywistym powiązaniem jest to, że ciemna materia nie oddziałuje ze światłem. Ciemna materia nie emituje ani nie odbija światła, a horyzont zdarzeń otaczający wszystkie czarne dziury wyznacza punkt, w którym prędkość ucieczki potrzebna do przekroczenia prędkości przekracza prędkość światła. Oznacza to, że pierwotne czarne dziury „uwięziłyby” całe padające światło, co skutkowałoby widocznym brakiem interakcji.
„Jeśli są wystarczająco jasne, to gdzieś w pobliżu masy planetarnej pierwotne czarne dziury zachowują się jak cząstki ciemnej materii we wszystkich ważnych dla nas celach” – powiedział Thos. „W standardowych modelach ciemna materia jest „bezkolizyjna”, więc cząstki ciemnej materii nie oddziałują ze sobą do tego stopnia, że wpływają na wszechświat”.
Dodał, że gdyby pierwotne czarne dziury były lżejsze od mas planet, to nawet w kosmicznej skali czasu byłyby tak małe, że rzadko by się zderzały. Te pierwotne czarne dziury mogą połączyć się, tworząc efekty grawitacyjne, które obecnie przypisujemy ciemnej materii, takie jak wywieranie wpływu grawitacyjnego, który zapobiega wydmuchaniu szybko rotujących galaktyk.
Jeśli jednak pierwotne czarne dziury musiałyby się agregować, aby uwzględnić wpływ ciemnej materii, co zapobiegłoby gromadzeniu się tych czarnych dziur i łączeniu się, tworząc większe czarne dziury? Czy grupa maleńkich czarnych dziur nie zamieniłaby się w końcu w supermasywną czarną dziurę? Zbadano tę kwestię i odpowiedź brzmi po prostu: „Nie” – powiedział Thos.
„Nawet jeśli weźmie się pod uwagę zlepianie, skala czasu łączenia się obiektów jest tak długa, że przez cały czas życia Wszechświata łączyłyby się one jedynie w bardzo masywne czarne dziury” – kontynuował.
Thos dodał, że piękno wykorzystania pierwotnych czarnych dziur jako wyjaśnienia ciemnej materii polega na tym, że w przeciwieństwie do zaproponowania hipotetycznej cząstki takiej jak oś w celu wyjaśnienia zagadki, pierwotne czarne dziury nie wymagają rozszerzenia standardowego modelu fizyki cząstek. Nasze najlepsze wyjaśnienie wszechświata opiera się na skalach subatomowych.
Jednakże bardzo trudno byłoby potwierdzić, że pierwotne czarne dziury są ciemną materią, gdyby rzeczywiście wyjaśniały to zjawisko. Ponownie, ich natura zatrzymująca światło oznacza, że są faktycznie niewidoczne. Ponadto przy tak małych rozmiarach nie powodują takich samych masywnych efektów grawitacyjnych jak ich gwiezdni i supermasywni bracia.
Nawet wtedy, jeśli odkryta zostanie grupa pierwotnych czarnych dziur, nie ma rzeczywistego sposobu na odróżnienie wielu małych czarnych dziur od jednej dużej czarnej dziury.
Pomimo tych trudności Thos i Fernandez-Alexander zamierzają pozostać na końcu pierwotnych czarnych dziur – przynajmniej w teorii. Jeśli w dalszym ciągu nie będą pojawiać się kandydaci na ciemną materię, być może odpowiedzią będzie skłonienie większej liczby fizyków do przyjrzenia się metaforycznemu ogrodzeniu między fizyką cząstek elementarnych a kosmologią.
„Nie mogę powiedzieć, że pierwotne czarne dziury kiedykolwiek zostały wykluczone jako kandydaci na ciemną materię, ale przez jakiś czas były one ignorowane” – powiedział Fernandez-Alexander. „Teraz, biorąc pod uwagę fakt, że tak naprawdę nie udało nam się wykryć cząstek ciemnej materii, myślę, że coraz bardziej właściwe staje się rozważanie tej opcji”.