Poszukiwania brakujących mini czarnych dziur pozostawionych przez Wielki Wybuch mogą wkrótce się nasilić.
Kiedy wydaje się, że trajektoria takich maleńkich czarnych dziur uległa ochłodzeniu, międzynarodowy zespół naukowców znalazł dowody w fizyce kwantowej, które mogą ponownie otworzyć sprawę. Jednym z powodów pilności poszukiwań tak zwanych pierwotnych czarnych dziur jest fakt, że zaproponowano je jako potencjalnych kandydatów na ciemną materię.
Ciemna materia stanowi 85% masy Wszechświata, ale nie oddziałuje ze światłem w taki sposób, jak materia codzienna. Z tego właśnie atomów powstają gwiazdy, planety, księżyce i nasze ciała. Jednakże ciemna materia oddziałuje z grawitacją i taki efekt może wystąpić uderzenie „Zwykła materia” i światło. Idealny do kosmicznej pracy detektywistycznej.
Gdyby istniały czarne dziury z Wielkiego Wybuchu, byłyby bardzo małe – niektóre tak małe jak bilon – i dlatego miałyby masy równe masie asteroid lub planet. Jednakże, podobnie jak ich większe odpowiedniki, czarne dziury o masach gwiazdowych, które mogą mieć masę od 10 do 100 mas Słońca, supermasywne czarne dziury, które mogą mieć miliony, a nawet miliardy mas Słońca, oraz mini-czarne dziury słońca . Świt czasu będzie otoczony przechwytującą światło powierzchnią zwaną horyzontem zdarzeń. Horyzont zdarzeń zapobiega emisji lub odbijaniu światła przez czarne dziury, co sprawia, że małe pierwotne czarne dziury są silnymi kandydatami na ciemną materię. Mogą być na tyle małe, że nikt ich nie zauważy, ale na tyle potężne, że mogą wpłynąć na przestrzeń.
Powiązany: Głównymi podejrzanymi w ciemnej materii mogą być małe czarne dziury pozostawione po Wielkim Wybuchu
Zespół naukowców – z Centrum Badań nad Wczesnym Wszechświatem (RESCEU) oraz Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Kavli (Kavli IPMU, WPI) na Uniwersytecie Tokijskim – zastosował ramy teoretyczne łączące klasyczną teorię pola i Własna teoria Einsteina. Teoria względności i mechanika kwantowa do wczesnego wszechświata. Ta ostatnia wyjaśnia zachowanie cząstek, takich jak elektrony i kwarki, i prowadzi do tak zwanej kwantowej teorii pola (QFT).
Zastosowanie QFT do powstającego wszechświata doprowadziło zespół do przekonania, że we wszechświecie jest znacznie mniej hipotetycznych pierwotnych czarnych dziur, niż wiele obecnie szacuje. Gdyby tak było, całkowicie wykluczyłoby to istnienie pierwotnych czarnych dziur jako ciemnej materii.
„Nazywamy je pierwotnymi czarnymi dziurami i wielu badaczy uważa, że są mocnymi kandydatami na ciemną materię, ale musiałoby być ich wiele, aby spełnić tę teorię” – powiedział Jason Christiano, absolwent Uniwersytetu Tokijskiego. – stwierdził w oświadczeniu. „Jest to interesujące również z innych powodów Od czasu niedawnych innowacji w astronomii fal grawitacyjnych odkryto łączenie się podwójnych czarnych dziur, które można wyjaśnić faktem, że pierwotne czarne dziury istnieją w dużych ilościach.
„Ale pomimo tych ważnych powodów ich przewidywanej liczebności, nie widzieliśmy żadnego z nich bezpośrednio, a teraz mamy model, który powinien wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje”.
Wróć do Wielkiego Wybuchu, aby szukać pierwotnych czarnych dziur
Najbardziej popularne modele w kosmologii sugerują, że Wszechświat powstał około 13,8 miliarda lat temu, w początkowym okresie szybkiej inflacji: Wielkim Wybuchu.
Po tym, jak podczas początkowej ekspansji we wszechświecie pojawiły się pierwsze cząstki, przestrzeń ostatecznie stała się wystarczająco zimna, aby umożliwić elektronom i protonom związanie się i utworzenie pierwszych atomów. To wtedy narodził się pierwiastek wodór. Ponadto, zanim nastąpiło to ochłodzenie, światło nie mogło podróżować przez wszechświat. Dzieje się tak, ponieważ elektrony nieskończenie rozpraszają fotony, które są cząsteczkami światła. Zatem podczas tych ciemnych wieków wszechświat był zasadniczo ciemny.
Kiedy jednak wolne elektrony mogły związać się z protonami i przestać się odbijać, światło w końcu mogło swobodnie się przemieszczać. Po tym wydarzeniu, zwanym „ostatnim rozproszeniem” i podczas następującego po nim okresu zwanego „erą rejonizacji”, wszechświat natychmiast stał się przezroczysty dla światła. Pierwsze światło, które wówczas rozbłysło we wszechświecie, nadal można dziś dostrzec jako w większości jednorodne pole promieniowania, globalną „skamieniałość” zwaną kosmicznym mikrofalowym tłem, w skrócie CMB.
W międzyczasie powstałe atomy wodoru utworzyły pierwsze gwiazdy, pierwsze galaktyki i pierwsze gromady galaktyk. Z pewnością niektóre galaktyki wydają się mieć większą masę, niż mogą pomieścić ich widoczne składniki, a nadmiar ten przypisuje się wyłącznie ciemnej materii.
Podczas gdy czarne dziury o masach gwiazdowych powstają w wyniku zapadania się i śmierci masywnych gwiazd, a supermasywne czarne dziury powstają w wyniku kolejnych łączenia się mniejszych czarnych dziur, pierwotne czarne dziury powstały wcześniej niż gwiazdy, więc muszą mieć unikalne pochodzenie.
Niektórzy naukowcy uważają, że warunki panujące w gorącym, gęstym wczesnym Wszechświecie były takie, że mniejsze plamy materii mogły zapaść się pod wpływem własnej grawitacji, dając początek maleńkim czarnym dziurom, których horyzont zdarzeń był nie szerszy niż dziesięciocentówka, a być może mniejszy niż proton , w zależności. Zablokuj ich.
Zespół odpowiedzialny za te badania już wcześniej przyglądał się modelom pierwotnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, ale modele te nie pasowały do obserwacji CMB. Aby temu zaradzić, naukowcy zastosowali poprawki do wiodącej teorii powstawania pierwotnych czarnych dziur. Korekty zgłoszone przez QFT.
„Na początku wszechświat był niewiarygodnie mały, znacznie mniejszy niż rozmiar pojedynczego atomu. Kosmiczna inflacja gwałtownie wzrosła o 25 rzędów wielkości” – powiedział w oświadczeniu Kavli IPMU i dyrektor RESCEU Jun’ichi Yokoyama. „W tamtym czasie fale przemieszczające się przez tak małą przestrzeń miały stosunkowo duże amplitudy, ale bardzo krótkie długości fal”.
Zespół odkrył, że te małe, ale potężne fale mogą ulec wzmocnieniu, stając się znacznie większymi i dłuższymi falami, co astronomowie widzą w obecnym CMB. Zespół uważa, że to wzmocnienie jest wynikiem spójności wczesnych fal krótkich, co można wyjaśnić za pomocą QFT.
„Podczas gdy pojedyncze fale krótkie byłyby stosunkowo bezsilne, spójne grupy miałyby zdolność do ponownego tworzenia fal znacznie większych od nich samych” – powiedział Yokoyama. „To rzadki przykład, w którym teoria czegoś na jednej skrajnej skali wydaje się wyjaśniać coś na drugim końcu skali”.
Jeśli teoria zespołu, że wczesne fluktuacje we wszechświecie na małą skalę mogą rosnąć i wpływać na fluktuacje w CMB na dużą skalę, jest poprawna, będzie to miało wpływ na wzrost struktur we wszechświecie. Pomiar fluktuacji KMPT może pomóc w ograniczeniu wielkości pierwotnych fluktuacji we wczesnym Wszechświecie. To z kolei nakłada ograniczenia na zjawiska, które opierają się na krótszych fluktuacjach, takie jak pierwotne czarne dziury.
„Powszechnie uważa się, że załamanie się krótkich, ale potężnych długości fal we wczesnym Wszechświecie doprowadziło do powstania pierwotnych czarnych dziur” – powiedział Christiano. „Nasze badanie sugeruje, że powinno być znacznie mniej pierwotnych czarnych dziur, niż byłoby to potrzebne, gdyby rzeczywiście były silnymi kandydatami na zdarzenia związane z ciemną materią lub falami grawitacyjnymi”.
Pierwotne czarne dziury to obecnie potwierdzone hipotezy. Dzieje się tak, ponieważ wychwytująca światło natura czarnych dziur o masach gwiazdowych utrudnia dostrzeżenie większych obiektów, więc wyobraź sobie, jak trudno byłoby dostrzec czarną dziurę z horyzontem zdarzeń wielkości monety.
Klucz do odkrycia pierwotnych czarnych dziur może nie leżeć w „konwencjonalnej astronomii”, ale w pomiarze drobnych zmarszczek w czasoprzestrzeni, zwanych falami grawitacyjnymi. Chociaż obecne detektory fal grawitacyjnych nie są wystarczająco czułe, aby wykryć zmarszczki w czasoprzestrzeni spowodowane zderzaniem się pierwotnych czarnych dziur, przyszłe projekty, takie jak antena kosmiczna interferometru laserowego (LISA), pozwolą na wykrywanie fal grawitacyjnych w przestrzeni kosmicznej. Może to pomóc w potwierdzeniu lub odrzuceniu teorii zespołu, przybliżając naukowców do potwierdzenia, czy pierwotne czarne dziury mogą być odpowiedzialne za ciemną materię.
Wyniki badań zespołu opublikowano w środę (29 maja) w czasopiśmie Physical Review Letters.