Ako môžu prvotné čierne diery vysvetliť temnú hmotu?

Prihláste sa na odber vedeckého bulletinu CNN Wonder Theory. Preskúmajte vesmír s fascinujúcimi objavmi, vedeckými pokrokmi a ďalšími novinkami,

cnn
,

Vedecká komunita už takmer 50 rokov zápasí s vážnym problémom: vo vesmíre nie je dostatok viditeľnej hmoty.

Žiadne množstvo hmoty, ktorú môžeme vidieť – hviezdy, planéty, kozmický prach a všetko medzi tým – nedokáže vysvetliť, prečo sa vesmír správa tak, ako sa správa, a na pozorovanie výskumníkov by jej muselo byť vo vesmíre päťkrát viac. potrebné podla nasaVedci to nazývajú temná hmota, pretože neinteraguje so svetlom a je neviditeľná.

V sedemdesiatych rokoch minulého storočia americkí astronómovia Vera Rubin a W. Kent Ford potvrdil existenciu tmavej hmoty pozorovaním hviezd obiehajúcich na okrajoch špirálových galaxií. Zistili, že tieto hviezdy sa točia tak rýchlo, že ich už nemôže držať pohromade viditeľná hmota galaxie a jej gravitácia – namiesto toho by sa mali roztrhnúť. Jediným vysvetlením bolo, že veľké množstvo neviditeľnej hmoty spájalo galaxiu.

„Čo vidíš v špirálovej galaxii?“ Povedal Rubin V tom momente: „To nie je to, čo dostanete.“ Ich práca bola založená na hypotéze, ktorú v 30. rokoch 20. storočia sformuloval švajčiarsky astronóm Fritz Zwicky a začala hľadať nepolapiteľnú látku.

Odvtedy sa vedci pokúšajú priamo pozorovať temnú hmotu a dokonca veľké vybavenie Boli vyvinuté snahy to zistiť – ale zatiaľ bez úspechu.

Na začiatku objavu renomovaný britský fyzik Stephen Hawking špekuloval, že temná hmota by mohla byť ukrytá v čiernych dierach – hlavnom predmete jeho práce – ktoré vznikli počas Veľkého tresku.

Teraz nová štúdia výskumníkov z Massachusettského technologického inštitútu vrátila túto teóriu do centra pozornosti a odhalila, z čoho boli tieto prvotné čierne diery vyrobené, a potenciálne úplne nové chápanie procesu bol objavený.

„Bolo to naozaj úžasné prekvapenie,“ povedal David Kaiser, jeden z autorov štúdie.

„Použili sme slávne výpočty Stephena Hawkinga o čiernych dierach, najmä jeho dôležitý výsledok o žiarení vyžarovanom čiernymi dierami,“ povedal Kaiser. „Tieto zvláštne čierne diery vznikli pri pokuse vyriešiť problém temnej hmoty – sú vedľajším produktom vysvetľovania temnej hmoty.“

Vedci vytvorili veľa hypotéz o temnej hmote, od neznámych častíc až po extra dimenzie. Nedávno sa však objavila Hawkingova teória čiernych dier.

„Ľudia to nebrali vážne ešte možno pred 10 rokmi,“ povedala spoluautorka štúdie Alba Alonso-Monsalve, postgraduálna študentka na MIT. „A to preto, že čierne diery sa kedysi zdali skutočne nepolapiteľné – na začiatku 20. storočia si ľudia mysleli, že sú to len matematické zábavné fakty, nie nič fyzické.“

Teraz vieme, že v strede takmer každej galaxie je čierna diera a Einsteinov objav výskumníkov gravitačné vlny Skúmanie svetla produkovaného kolíziami čiernych dier v roku 2015 – prelomový objav – objasnilo, že sú všade.

„V skutočnosti sa vesmír hemží čiernymi dierami,“ povedal Alonso-Monsalve. „Častica tmavej hmoty sa však nenašla, aj keď ľudia hľadali na všetkých miestach, kde očakávali, že ju nájdu. To neznamená, že tam častica tmavej hmoty neexistuje alebo že je to určite čierna diera. oboje Ale teraz sa čierne diery berú oveľa vážnejšie ako kandidáti na temnú hmotu.“

Iné nedávne štúdie Hawkingova hypotéza bola potvrdená ako platná, ale práca Alonsa-Monsalva a Kaisera, profesora fyziky a profesora histórie vedy z Germeshausen na MIT, ide ešte o krok ďalej a skúma, čo sa stalo, keď prvotná čierna diera. sa vlastne stalo, keď bol prvýkrát vyrobený?

ŠtúdiumPublikované v časopise Physical Review Letters 6. júna odhaľuje, že tieto čierne diery sa mohli objaviť pätinu sekundy pred Veľkým treskom: „Je to naozaj veľmi skoro a dlho pred týmto momentom, „Keď protóny a neutróny, častice, ktoré tvoria všetko, boli vytvorené,“ povedal Alonso-Monsalve.

Povedal, že v našom každodennom svete nemôžeme vidieť protóny a neutróny ako oddelené časti a správajú sa ako základné častice. Vieme však, že nejde o fundamentálne častice, pretože sú tvorené menšími časticami nazývanými kvarky, ktoré sú viazané na iné častice nazývané gluóny.

„Vo vesmíre už nemôžete nájsť kvarky a gluóny samostatne a nezávisle, pretože je tak chladný,“ povedal Alonso-Monsalve. „Ale na začiatku Veľkého tresku, keď bolo veľmi horúco, ich bolo možné nájsť samostatne a nezávisle. Takže prvotné čierne diery vznikli absorbovaním voľných kvarkov a gluónov.“

Takáto formácia by ich zásadne odlišovala od astrofyzikálnych čiernych dier, ktoré vedci zvyčajne vidia vo vesmíre a ktoré sú výsledkom kolabujúcich hviezd. Pôvodná čierna diera by bola tiež veľmi malá – iba hmotnosť asteroidu by sa v priemere zhustila na objem jedného atómu. Ak by sa však podstatný počet týchto prvotných čiernych dier nevyparil na začiatku Veľkého tresku a prežil až do súčasnosti, mohli by zodpovedať za všetku alebo väčšinu temnej hmoty.

Podľa štúdie sa pri vzniku prvotnej čiernej diery musel ako vedľajší produkt vytvoriť iný dovtedy nevídaný typ čiernej diery. Tie mohli byť ešte menšie – približne rovnakej hmotnosti ako jedna NosorožecKondenzované na objem menší ako protón.

Tieto mikroskopické čierne diery vďaka svojej malej veľkosti mohli získať vzácnu a jedinečnú vlastnosť z kvarkovo-gluónovej polievky, nazývanú „farebný náboj“. Kaiser povedal, že toto je stav náboja, ktorý je špecifický pre kvarky a gluóny, ktorý sa nikdy nenachádza v bežných objektoch.

Tento farebný náboj ich robí jedinečnými medzi čiernymi dierami, ktoré zvyčajne nemajú žiadny náboj. „Je nevyhnutné, že tieto menšie čierne diery by sa tiež vytvorili ako vedľajší produkt (vzniku starých čiernych dier),“ povedal Alonso-Monsalve, „ale dnes by neexistovali, pretože by sa už vyparili.“

Ak by však boli prítomné čo i len jednu milióntinu sekundy po Veľkom tresku, keď sa vytvorili protóny a neutróny, mohli zanechať pozorovateľné stopy zmenou rovnováhy medzi týmito dvoma typmi častíc.

Povedal: „Bilancia počtu protónov a počtu neutrónov je veľmi chúlostivá a závisí od toho, aké iné veci boli v tom čase prítomné vo vesmíre. Ak by tieto čierne diery s farebnými nábojmi stále existovali, potom „mohli zmeniť rovnováha medzi protónmi a neutrónmi (v prospech jedného alebo druhého), akurát dosť na to, aby sme mohli v najbližších rokoch merať.“

Kaiser povedal, že tieto merania možno získať z teleskopov umiestnených na Zemi alebo citlivých prístrojov na palube satelitov na obežnej dráhe. Povedal však, že by mohol existovať iný spôsob, ako potvrdiť existenciu týchto podivných čiernych dier.

„Vytvorenie populácie čiernych dier je veľmi násilný proces, ktorý spôsobí obrovské poruchy v okolitom časopriestore. V priebehu kozmickej histórie sa budú zmenšovať, ale neklesnú na nulu,“ povedal Kaiser. „Ďalšia generácia gravitačných detektorov môže zahliadnuť malé čierne diery – jedinečný stav hmoty, ktorý bol neočakávaným vedľajším produktom všednejších čiernych dier, ktoré vysvetľujú dnešnú temnú hmotu.“

Čo to znamená pre experimenty snažiace sa odhaliť temnú hmotu, ako napr Experiment s temnou hmotou LZ V Južnej Dakote?

„Myšlienka, že existujú nové častice, zostáva zaujímavou hypotézou, “ povedal Kaiser. „Existujú aj iné druhy veľkých experimentov, z ktorých niektoré sú vo výstavbe, ktoré nachádzajú skvelé spôsoby detekcie gravitačných vĺn. A v skutočnosti môžu zachytiť nejaké bludné signály z veľmi prudkého procesu tvorby prvotných čiernych dier.“

Alonso-Monsalve povedal, že existuje aj možnosť, že prvotné čierne diery môžu byť len zlomkom temnej hmoty. „Nie je nutné, aby boli všetci rovnakí,“ povedal. „Temná hmota je päťkrát častejšia ako normálna hmota a normálna hmota sa skladá z celého radu rôznych častíc. Prečo by teda mala byť temná hmota jediným typom objektu?“

Primordiálne čierne diery sa opäť stali populárnymi vďaka objavu gravitačných vĺn, no o ich vzniku sa vie len málo, tvrdí Nico Cappelluti, odborný asistent na katedre fyziky na Univerzite v Miami. Neboli spojené s touto štúdiou.

„Táto práca je zaujímavou a životaschopnou možnosťou na vysvetlenie nepolapiteľnej temnej hmoty,“ povedal Cappelluti.

Joseph S. profesor astronómie a fyziky na univerzite v Yale A Sophia S. Profesor Fruton Priyamvada Natarajan povedal, že štúdia je vzrušujúca a navrhuje nový mechanizmus na vytvorenie prvej generácie čiernych dier. Tiež nebola zapojená do tejto štúdie.

„Všetok vodík a hélium, ktoré dnes existujú v našom vesmíre, sa vytvorili v prvých troch minútach, a ak by dovtedy existovalo dostatok prvotných čiernych dier, ovplyvnili by tento proces a tieto účinky by boli zistiteľné,“ povedal Natarajan urobil.“

„Skutočnosť, že ide o hypotézu overiteľnú pozorovaním, považujem za skutočne vzrušujúcu, okrem toho, že naznačuje, že príroda pravdepodobne vytvára čierne diery od najstarších čias prostredníctvom viacerých ciest.“