Cum ar putea explica găurile negre primordiale materia întunecată

Înscrieți-vă pentru buletinul informativ științific Wonder Theory al CNN. Explorați universul cu știri despre descoperiri fascinante, progrese științifice și multe altele.

CNN
—

De aproximativ 50 de ani, comunitatea științifică se confruntă cu o mare problemă: nu există suficientă materie vizibilă în univers.

Toată materia pe care o putem vedea – stele, planete, praful cosmic și tot ce se află între ele – nu poate explica de ce universul se comportă așa cum o face și ar trebui să existe de cinci ori mai multă materie în jurul nostru pentru ca observațiile cercetătorilor să poată fi făcute. sens. Potrivit NASA. Oamenii de știință numesc această substanță materie întunecată, deoarece nu interacționează cu lumina și este invizibilă.

În anii 1970, astronomii americani Vera Rubin și… Kent Ford a descoperit existența materiei întunecate uitându-se la stelele care orbitează marginea galaxiilor spirale. Ei au remarcat că aceste stele se mișcau prea repede pentru a fi ținute împreună de materia vizibilă și gravitația galaxiei și ar fi trebuit să fie distruse în schimb. Singura explicație a fost că exista o mare cantitate de materie invizibilă care ținea galaxia împreună.

„Ceea ce vezi într-o galaxie spirală” spuse Robin La acea vreme, „nu asta primești”. Lucrarea ei s-a bazat pe o ipoteză formulată de astronomul elvețian Fritz Zwicky în anii 1930 și a început căutarea materiei evazive.

De atunci, oamenii de știință au încercat să observe direct materia întunecată și chiar să o construiască Electrocasnice grozave Să-l descoperim, dar până acum nu am avut noroc.

La începutul cercetării, celebrul fizician britanic Stephen Hawking a emis ipoteza că materia întunecată s-ar putea ascunde în găurile negre – subiectul principal al lucrării sale – formate în timpul Big Bang-ului.

Acum, un nou studiu realizat de cercetătorii de la MIT a readus teoria în lumina reflectoarelor, dezvăluind din ce sunt făcute aceste găuri negre primordiale și, potențial, descoperind un tip complet nou de gaură neagră exotică în acest proces.

„A fost o surpriză foarte plăcută în acest fel”, a spus David Kaiser, unul dintre autorii studiului.

„Profitam de celebrele calcule ale lui Stephen Hawking despre găurile negre, în special de rezultatul său important despre radiația pe care o emit găurile negre”, a spus Kaiser. „Aceste găuri negre exotice apar din încercarea de a aborda problema materiei întunecate. Sunt un produs secundar al explicației materiei întunecate”.

Oamenii de știință au făcut multe presupuneri despre ce este materia întunecată, de la particule necunoscute la dimensiuni suplimentare. Dar teoria lui Hawking despre găurile negre a intrat în vigoare abia recent.

„Oamenii nu au luat-o în serios până acum poate 10 ani”, a spus coautorul studiului Elba Alonso Monsalve, student absolvent la MIT. „Aceasta se datorează faptului că găurile negre păreau odată cu adevărat exagerate. La începutul anilor 1900, oamenii credeau că sunt doar un fapt matematic distractiv, nu doar un fapt fizic.”

Știm acum că aproape fiecare galaxie conține o gaură neagră în centrul ei, au descoperit cercetătorii Einstein Valuri gravitationale Creat de ciocnirea găurilor negre în 2015 – o descoperire de reper – a arătat că acestea sunt peste tot.

„De fapt, universul este plin de găuri negre”, a spus Alonso Monsalve. „Dar nu a fost găsită nicio particulă de materie întunecată, deși oamenii au căutat în toate locurile în care se așteptau să o găsească, asta nu înseamnă că materia întunecată nu este o particulă sau că ar putea fi o combinație ambele Dar acum, „găurile negre sunt luate în serios ca candidați pentru materia întunecată”.

ultimul Studii moderne Ipoteza lui Hawking este confirmată a fi adevărată, dar munca lui Alonso Monsalvi și Kaiser, profesor de fizică și profesor de istoria științei la Institutul Germshausen de la MIT, merge mai departe și analizează exact ce s-a întâmplat când găurile negre primordiale. format. .

cel Staipublicat pe 6 iunie în jurnalul Physical Review Letters, dezvăluie că aceste găuri negre trebuie să fi apărut în prima cinci-milionime dintr-o secundă a big bang-ului: „Acesta este foarte devreme, mult mai devreme decât momentul în care au apărut protonii și neutronii, „, a spus Alonso Monsalve „S-au format moleculele care alcătuiesc totul”.

Ea a adăugat că în lumea noastră de zi cu zi, nu putem găsi protoni și neutroni dezintegrați, care sunt particule elementare. Cu toate acestea, știm că nu este, deoarece este alcătuit din particule mai mici numite quarci, ținute împreună de alte particule numite gluoni.

„Nu puteți găsi quarci și gluoni singuri și liberi în univers acum, pentru că este prea rece”, a adăugat Alonso Monsalvi. „Dar la începutul Big Bang-ului, când era foarte cald, ar fi putut fi găsite singure și libere, așa că găurile negre primordiale s-au format prin absorbția quarcilor și gluonilor liberi.

O astfel de configurație ar face-o radical diferită de găurile negre astrofizice pe care oamenii de știință le observă de obicei în univers, care sunt rezultatul prăbușirii stelelor. Gaura neagră primordială ar fi, de asemenea, mult mai mică, cu numai masa asteroidului, în medie, condensată la dimensiunea unui atom. Dar dacă destule dintre aceste găuri negre primordiale nu s-au evaporat la începutul Big Bang-ului și nu au supraviețuit până în ziua de azi, ele ar putea fi responsabile pentru toată sau cea mai mare parte a materiei întunecate.

În timp ce găurile negre primordiale se formau, un alt tip de găuri negre invizibile trebuie să se fi format ca un fel de produs secundar, potrivit studiului. Acesta ar fi fost mai mic, doar un bloc A inorogcondensat la mai puțin de dimensiunea unui proton.

Aceste mici găuri negre, datorită dimensiunilor lor mici, au reușit să capteze o proprietate rară și ciudată a supei de quarc-gluoni în care s-au format, numită „încărcare de culoare”. Este o stare de încărcare care este limitată la quarci și gluoni și nu se găsește niciodată în obiectele obișnuite, a spus Kaiser.

Această taxă de culoare l-ar face unică printre găurile negre, care de obicei nu au nicio taxă. „Este inevitabil ca aceste găuri negre mai mici s-ar fi format, de asemenea, ca un produs secundar (al formării găurilor negre primordiale), dar nu ar mai exista astăzi, pentru că s-ar fi evaporat deja”, a spus Alonso Monsalve.

Cu toate acestea, dacă mai erau la aproximativ zece milioane de secundă distanță de Big Bang, când s-au format protonii și neutronii, ar fi putut lăsa amprente observabile prin schimbarea echilibrului dintre cele două tipuri de particule.

„Echilibrul dintre numărul de protoni și numărul de neutroni creați este foarte delicat și depinde de ce altă materie era prezentă în univers în acel moment”, a adăugat ea, „Dacă aceste găuri negre cu încărcături colorate ar mai exista ar putea schimba echilibrul dintre protoni și neutroni.” (Pentru unul sau altul), ceea ce este suficient pentru a măsura asta în următorii câțiva ani.”

Măsurătoarea ar putea proveni de la telescoape de la sol sau instrumente sensibile de pe sateliți care orbitează, a spus Kaiser. El a adăugat că ar putea exista o altă modalitate de a confirma existența acestor găuri negre ciudate.

„Formarea unui grup de găuri negre este un proces extrem de violent care ar trimite valuri enorme în spațiul-timp înconjurător. Aceste rate vor scădea de-a lungul istoriei cosmice, dar nu până la zero”, a spus Kaiser de detectoare gravitaționale ar putea arunca o privire.” „O privire de găuri negre de masă mică – o stare exotică a materiei care a fost un produs secundar neașteptat al găurilor negre mai banale care ar putea explica materia întunecată de astăzi”.

Ce înseamnă acest lucru pentru experimentele în desfășurare care încearcă să detecteze materia întunecată, de ex Experimentul LZ despre materia întunecată În Dakota de Sud?

„Ideea unor noi particule ciudate rămâne o ipoteză interesantă”, a spus Kaiser. Există și alte tipuri de experimente mari, unele în construcție, care caută modalități inovatoare de a detecta undele gravitaționale. Acestea pot capta de fapt unele semnale rătăcite din procesul de formare extrem de violent al găurilor negre primordiale.

Alonso Monsalvi a adăugat că există și posibilitatea ca găurile negre primordiale să fie doar o mică parte a materiei întunecate. „Nu trebuie să fie neapărat la fel”, a spus ea. „Există de cinci ori mai multă materie întunecată decât materie normală, iar materia normală este alcătuită dintr-o grămadă de particule diferite. Deci, de ce trebuie să fie materia întunecată un singur tip de obiect?”

Găurile negre primordiale și-au recâștigat popularitatea odată cu descoperirea undelor gravitaționale, dar se știe puțin despre formarea lor, potrivit Nico Capellotti, profesor asistent la Departamentul de Fizică de la Universitatea din Miami. El nu a participat la studiu.

„Această lucrare este o opțiune interesantă și viabilă pentru a explica materia întunecată evazivă”, a spus Capellotti.

Studiul este incitant și sugerează un nou mecanism pentru formarea primei generații de găuri negre, a spus Priyamvada Natarajan, profesor de astronomie și fizică Joseph S. și Sophia S. Fruton la Universitatea Yale. De asemenea, ea nu a participat la studiu.

„Tot hidrogenul și heliul din universul nostru de astăzi au fost create în primele trei minute și, dacă ar fi existat suficiente dintre aceste găuri negre primordiale chiar și atunci, ele ar fi influențat acest proces și acele efecte ar fi putut fi detectabile”, a spus Natarajan. .

„Faptul că aceasta este o ipoteză verificabilă din punct de vedere observațional este ceea ce mi se pare cu adevărat incitant, în afară de faptul că aceasta sugerează că natura probabil a creat găuri negre începând din cele mai vechi timpuri prin mai multe căi.”