Pierwotne czarne dziury i poszukiwanie ciemnej materii z multiwszechświata

Pierwotne czarne dziury, które powstały we wczesnym Wszechświecie zanim narodziły się galaktyki i gwiazdy, mogą stanowić całość lub część ciemnej materii, być odpowiedzialne za niektóre z obserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych i supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrum Drogi Mlecznej i innych galaktyk. Mogą również odgrywać rolę w syntezie ciężkich pierwiastków, gdy zderzają się z gwiazdami neutronowymi i niszczą je, uwalniając materię bogatą w neutrony. W szczególności istnieje ekscytująca możliwość, że tajemnicza ciemna materia, która stanowi większość materii we Wszechświecie składa się z pierwotnych czarnych dziur. Nagroda Nobla w 2020 roku została przyznana teoretykowi Rogerowi Penrose’owi oraz dwóm astronomom, Reinhardowi Genzelowi i Andrei Ghez, za ich odkrycia potwierdzające istnienie czarnych dziur. Ponieważ wiadomo, że w przyrodzie istnieją czarne dziury, są one bardzo atrakcyjnymi kandydatkami na ciemną materię.

Zespół naukowców przyjrzał się wczesnemu Wszechświatowi szukając wskazówek, by dowiedzieć się więcej o pierwotnych czarnych dziurach. Wczesny Wszechświat był tak gęsty, że wszelkie dodatnie wahania gęstości przekraczające 50% stworzyłyby czarną dziurę. Jednak wiadomo, że kosmologiczne perturbacje, które są obsadzone galaktykami, są znacznie mniejsze. Niemniej jednak, szereg procesów we wczesnym Wszechświecie mógł stworzyć odpowiednie warunki do powstania czarnych dziur.

Jedną z ekscytujących możliwości jest to, że pierwotne czarne dziury mogły powstać z „wszechświatów niemowlęcych” utworzonych podczas inflacji, okresu gwałtownej ekspansji, który, jak się uważa, odpowiedzialny jest za wysiew struktur obserwowanych dzisiaj, takich jak galaktyki i gromady galaktyk. Podczas inflacji niemowlęce wszechświaty mogą rozgałęziać się od naszego Wszechświata. Mały niemowlęcy wszechświat ostatecznie się zapadnie, ale duża ilość energii uwolnionej w małej objętości spowoduje powstanie czarnej dziury.

Jeszcze bardziej osobliwy koniec czeka większy wszechświat niemowlęcy. Jeżeli jest większy niż pewien rozmiar krytyczny, teoria grawitacji Einsteina pozwala wszechświatowi niemowlęcemu istnieć w stanie, który wydaje się różny dla obserwatora wewnątrz i na zewnątrz. Wewnętrzny obserwator widzi go jako wszechświat rozszerzający się, podczas gdy zewnętrzny obserwator (taki jak my) widzi go jako czarną dziurę. W obu przypadkach, duży i mały wszechświat niemowlęcy są przez nas postrzegane jako pierwotne czarne dziury, które ukrywają podstawową strukturę multiwszechświata za swoimi „horyzontami zdarzeń”. Horyzont zdarzeń jest granicą, poniżej której wszystko, nawet światło, jest uwięzione i nie może uciec z czarnej dziury.

W swoim artykule zespół opisał nowatorski scenariusz powstawania pierwotnych czarnych dziur i pokazał, że czarne dziury ze scenariusza multiwszechświata można znaleźć za pomocą Hyper Suprime-Cam (HSC) zamontowanej na 8,2-metrowym teleskopie Subaru olbrzymiej kamery cyfrowej. Ich praca jest pasjonującym przedłużeniem poszukiwań pierwotnych czarnych dziur przez HSC, które prowadzą Masahiro Takada, główny badacz z Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, i jego zespół.

Dlaczego HSC była niezbędna w tych badaniach? Ponieważ ma unikalną zdolność obrazowania całej gromady Andromedy co kilka minut. Jeżeli czarna dziura przechodzi przez pole widzenia do jednej z gwiazd, grawitacja czarnej dziury zakrzywia promienie światła (efekt soczewkowania grawitacyjnego) i sprawia, że gwiazda przez krótki okres czasu wydaje się jaśniejsza niż wcześniej. Czas trwania rozjaśnienia gwiazdy mówi astronomom o masie czarnej dziury. Dzięki obserwacjom HSC można jednocześnie obserwować sto milionów gwiazd, tworząc szeroką sieć dla pierwotnych czarnych dziur, które mogą przecinać jedną z linii pola widzenia.

Pierwsze obserwacje HSC odnotowały już intrygujące zdarzenie kandydata zgodnego z pierwotną czarną dziurą z multiwszechświata, z czarną dziurą o masie porównywalnej z masą Księżyca. Zachęcony tym pierwszym znakiem i kierujący się nowym teoretycznym zrozumieniem, zespół prowadzi nową rundę obserwacji, aby rozszerzyć poszukiwania i dostarczyć odpowiedniego testu dotyczącego tego, czy pierwotne czarne dziury ze scenariusza multiwszechświata mogą odpowiadać za całą ciemną materię.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
IPMU

Physical Review Letters

Vega

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *