Celá Temná hmota vo vesmíre môže byť primárnou čiernou dierou – čerpaná z kolapsu Baby Universe krátko po Veľkom tresku

Kavliho inštitút pre fyziku a matematiku vesmíru (Kavli IPMU) je domovom mnohých interdisciplinárnych projektov, ktoré ťažia zo synergie širokého spektra odborných znalostí dostupných na ústave. Jedným z takýchto projektov je štúdium čiernych dier, ktoré sa mohli vytvoriť v ranom vesmíre, skôr ako sa narodili hviezdy a galaxie.

Takéto primitívne čierne diery (PBH) môžu byť zodpovedné za celú alebo časť tmavej hmoty, za ktorú môže aj časť Gravitačné vlny Znaky, signály a semená supermasívnych čiernych dier nachádzajúcich sa v strede našej galaxie a ďalších galaxií. Keď sa neutróny zrazia s hviezdami a zničia ich, môžu hrať úlohu v syntéze ťažkých prvkov ničením materiálov bohatých na neutróny.

Existuje predovšetkým vzrušujúca možnosť, že záhadná temná hmota, ktorá predstavuje väčšinu hmoty vo vesmíre, je zložená z primárnych čiernych dier. V roku 2020 Nobelovu cenu za fyziku získal teoretik Roger Penrose a dvaja astronómovia Reinhard Genzel a Andrea Gays za objavy, ktoré potvrdili existenciu čiernej diery. Pretože v prírode existujú čierne diery, vytvárajú veľmi atraktívnych kandidátov na temnú hmotu.

Nedávny pokrok v oblasti základov, astrofyziky a astronomických pozorovaní pri objave PBH urobil medzinárodný tím časticových fyzikov, kozmológov a astronómov vrátane členov Kavli IPMU Alexandra Kusenka, Misao Sasakiho, Sanao Sugayamy, Masahira Takadu a Volodymyra Takhistova Hu.

Ak sa chcete dozvedieť viac o prvotnej čiernej diere, výskumný tím sa zameral na stopy v ranom vesmíre. Počiatočný vesmír bol taký hustý, že nedochádzalo k pozitívnemu kolísaniu hustoty o viac ako 50 percent Čierna diera. Kozmologické poruchy, ktoré zavlažujú galaxie, sa však považujú za veľmi malé. Napriek tomu veľa procesov v ranom vesmíre mohlo viesť k vzniku čiernej diery.

Hyper Supertime-Cam (HSC) je masívny digitálny fotoaparát v ďalekohľade Subaru. Poďakovanie: HSC Project / NAOJ

Vzrušujúcou možnosťou je, že primitívne čierne diery sa mohli vytvoriť z „detských vesmírov“ vytvorených počas inflácie, obdobia rýchlej expanzie, o ktorých sa predpokladá, že sú zodpovedné za zasadenie dnešných štruktúr, ako sú galaxie a galaxie. Skupina Počas inflácie sa detský vesmír môže vzďaľovať od nášho vesmíru. Vesmír malého dieťaťa (alebo „dcéry“) sa nakoniec zrúti, ale veľké množstvo energie uvoľnenej v malom množstve spôsobí čiernu dieru.

Ešte zvláštnejší osud čaká starší detský vesmír. Ak je väčšia ako nejaká kritická veľkosť, Einsteinova teória gravitácie umožňuje detskému vesmíru existovať v polohe, ktorá sa javí odlišná od pozorovateľa zvnútra aj zvonka. Interný pozorovateľ to vidí ako rozpínajúci sa vesmír, zatiaľ čo vonkajší pozorovateľ (ako my) to vidí ako čiernu dieru. V obidvoch prípadoch považujeme vesmír, veľký i malý, za prvotnú čiernu dieru, ktorá skrýva základnú štruktúru mnohých vesmírov za „horizontom udalostí“. Horizont udalostí je hranica, pod ktorou je všetko, aj svetlo, uväznené a nemôže uniknúť z čiernej diery.

Hviezda v galaxii Andromeda sa dočasne zosvetlí, ak pred hviezdu prejde primárna čierna diera, ktorá zameriava svoje svetlo podľa gravitačného princípu. S pozdravom: Kavali IPMU / HSC Collaboration

Vo svojom príspevku tím popísal nový scenár formovania PBH a ukázal, že čiernu dieru zo scenára „multiverse“ možno nájsť pomocou 8,2m subaru ďalekohľadu Subaru Telescope Hyper Superim-Cam (HSC), masívneho digitálneho Kamera je – Kavli IPMU hrá dôležitú úlohu – blízko vrcholu 4 200 m – Kavli IPMU. Mauna Kea na Havaji. Jeho práca je vzrušujúcim rozšírením hľadania PSH v HSC, ktorému sa Masahiro Takada, hlavný vyšetrovateľ v Kavali IPMU a jeho tím venuje. Tím HSC nedávno oznámil závažné obmedzenia týkajúce sa existencie PBH v dokumentoch Tikada et Nikura. al. Nature Astronomy 3, 524–534 (2019)

Prečo bolo HSC v tomto výskume nevyhnutné? HSC má jedinečnú schopnosť zobrazovať celú galaxiu Andromeda každých pár minút. Ak čierna diera prechádza líniou videnia na jednej z hviezd, gravitácia čiernej diery ohýba svetelné lúče a robí hviezdu na krátky čas jasnejšou ako predtým. Obdobie jasu hviezdy hovorí astronómom o hmotnosti čiernej diery. Pomocou pozorovaní HSC možno pozorovať súčasne sto miliónov hviezd, čo vytvára širokú pascu pre prvotné čierne diery, ktoré môžu prechádzať cez čiaru pohľadu.

Predchádzajúce pozorovania HSC hlásili veľmi zaujímavú kandidátsku udalosť zodpovedajúcu PBH z „multiverza“ s hmotnosťou čiernej diery rovnajúcou sa hmotnosti Mesiaca. Tím, povzbudený touto prvou indikáciou, a vedený novým teoretickým porozumením, bude tím viesť nové kolo s cieľom rozšíriť hľadanie a poskytnúť definitívny test toho, či PBH môžu zodpovedať za všetku temnú hmotu z multiverzálnej krajiny. Zvykol byť.

Referencie: „Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunayo Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhtistov a Edinova Vitagliano objavili 30. októbra 2020“ primárnu čiernu dieru s viacnásobným ďalekohľadom List o fyzickej kontrole.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.125.181304