De jacht op ontbrekende mini-zwarte gaten die zijn achtergelaten door de oerknal staat mogelijk op het punt te intensiveren.
Net nu het traject van zulke kleine zwarte gaten koud lijkt te zijn, heeft een internationaal team van wetenschappers in de kwantumfysica bewijs gevonden dat de zaak zou kunnen heropenen. Eén van de redenen waarom de zoektocht naar zogenaamde oorspronkelijke zwarte gaten dringend is, is dat ze zijn voorgesteld als potentiële kandidaten voor donkere materie.
Donkere materie maakt 85% van de massa van het universum uit, maar heeft geen interactie met licht zoals alledaagse materie dat doet. Dit is het materiaal van de atomen waaruit sterren, planeten, manen en ons lichaam bestaan. Donkere materie heeft echter een wisselwerking met de zwaartekracht, en dit effect kan optreden invloed “Gewone materie” en licht. Perfect voor kosmisch detectivewerk.
Als er zwarte gaten uit de oerknal zouden bestaan, zouden ze heel klein zijn – sommige zo klein als een dubbeltje – en daarom een massa hebben die gelijk is aan die van asteroïden of planeten. Maar net als hun grotere tegenhangers zijn er zwarte gaten met een stellaire massa, die 10 tot 100 keer de massa van de zon kunnen hebben, superzware zwarte gaten, die miljoenen of zelfs miljarden keer de massa van de zon kunnen hebben, en mini-zwarte gaten. van de zon . Het aanbreken van de tijd zal omgeven worden door een lichtvangend oppervlak dat de gebeurtenishorizon wordt genoemd. De waarnemingshorizon verhindert dat zwarte gaten licht uitstralen of reflecteren, waardoor kleine oorspronkelijke zwarte gaten sterke kandidaten zijn voor donkere materie. Ze zijn misschien klein genoeg dat niemand het zal opmerken, maar krachtig genoeg om de ruimte te beïnvloeden.
Verwant: Kleine zwarte gaten achtergelaten door de oerknal kunnen hoofdverdachten zijn in donkere materie
Het team van wetenschappers – van het Research Center for the Early Universe (RESCEU) en het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) aan de Universiteit van Tokio – paste een theoretisch raamwerk toe dat klassieke veldtheorie en Einsteins eigen theorie. Relativiteitstheorie en kwantummechanica voor het vroege universum. Dit laatste verklaart het gedrag van deeltjes als elektronen en quarks en geeft aanleiding tot de zogenaamde kwantumveldentheorie (QFT).
Door QFT toe te passen op het ontluikende universum ging het team geloven dat er veel minder hypothetische oorspronkelijke zwarte gaten in het universum zijn dan veel modellen momenteel schatten. Als dit het geval zou zijn, zou dit het bestaan van oorspronkelijke zwarte gaten als donkere materie volledig uitsluiten.
“We noemen ze primordiale zwarte gaten, en veel onderzoekers zijn van mening dat ze sterke kandidaten zijn voor donkere materie, maar er zouden er veel moeten zijn om aan deze theorie te voldoen”, zegt Jason Christiano, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Tokio. Dat zei hij in een verklaring. “Het is ook om andere redenen interessant. Sinds de recente innovatie in de zwaartekrachtsgolfastronomie zijn er ontdekkingen gedaan van het samensmelten van binaire zwarte gaten, wat verklaard zou kunnen worden als er grote aantallen oorspronkelijke zwarte gaten bestaan.
“Maar ondanks deze krachtige redenen voor hun voorspelde overvloed, hebben we ze niet direct gezien, en nu hebben we een model dat zou moeten verklaren waarom dit gebeurt.”
Ga terug naar de oerknal en zoek naar oorspronkelijke zwarte gaten
De meest geliefde modellen in de kosmologie suggereren dat het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden begon tijdens een eerste periode van snelle inflatie: de oerknal.
Nadat de eerste deeltjes tijdens deze initiële uitdijing in het heelal verschenen, werd de ruimte uiteindelijk koud genoeg om elektronen en protonen de kans te geven zich te binden en de eerste atomen te vormen. Toen werd het element waterstof geboren. Bovendien kon licht voordat deze afkoeling plaatsvond, niet door het universum reizen. Dit komt omdat elektronen eindeloos fotonen verstrooien, dit zijn lichtdeeltjes. Tijdens deze donkere middeleeuwen was het universum dus in wezen donker.
Maar toen de vrije elektronen zich eenmaal aan de protonen konden binden en niet meer rond konden stuiteren, kon het licht eindelijk vrij reizen. Na deze gebeurtenis, die de ‘laatste verstrooiing’ wordt genoemd en gedurende de daaropvolgende periode die bekend staat als het ‘tijdperk van reïonisatie’, werd het universum onmiddellijk transparant voor licht. Het eerste licht dat destijds door het heelal scheen, kan vandaag de dag nog steeds worden gezien als een grotendeels uniform stralingsveld, een mondiaal ‘fossiel’ dat de kosmische microgolfachtergrond of CMB wordt genoemd.
Ondertussen vormden de waterstofatomen die ontstonden de eerste sterren, de eerste sterrenstelsels en de eerste clusters van sterrenstelsels. Zeker, sommige sterrenstelsels lijken meer massa te hebben dan hun zichtbare componenten kunnen verklaren, en deze overmaat wordt uitsluitend toegeschreven aan donkere materie.
Terwijl zwarte gaten met een stellaire massa ontstaan uit de ineenstorting en dood van massieve sterren, en superzware zwarte gaten ontstaan uit opeenvolgende samensmeltingen van kleinere zwarte gaten, dateren de oorspronkelijke zwarte gaten al van vóór de sterren, en moeten ze dus een unieke oorsprong hebben.
Sommige wetenschappers geloven dat de omstandigheden in het hete, dichte vroege heelal zodanig waren dat kleinere stukjes materie onder hun eigen zwaartekracht konden instorten en deze kleine zwarte gaten konden voortbrengen, met een waarnemingshorizon die niet breder was dan een dubbeltje, of misschien kleiner dan een proton. , afhankelijk. Blokkeer ze.
Het team achter dit onderzoek had eerder gekeken naar modellen van oorspronkelijke zwarte gaten in het vroege heelal, maar deze modellen sloten niet aan bij CMB-waarnemingen. Om dit te corrigeren, pasten wetenschappers correcties toe op de leidende theorie van de vorming van oorspronkelijke zwarte gaten. Correcties gerapporteerd door QFT.
“In het begin was het universum ongelooflijk klein, veel kleiner dan de grootte van een enkel atoom. De kosmische inflatie breidde zich snel uit met 25 ordes van grootte”, aldus Kavli IPMU en RESCEU-directeur Jun’ichi Yokoyama in de verklaring. ‘In die tijd zouden golven die door zo’n kleine ruimte reizen, relatief grote amplitudes hebben gehad, maar zeer korte golflengten.’
Het team ontdekte dat deze kleine maar krachtige golven versterkt kunnen worden om de veel grotere, langere golven te worden die astronomen in de huidige CMB zien. Het team is van mening dat deze versterking het resultaat is van de samenhang tussen vroege korte golven, wat kan worden verklaard met behulp van QFT.
“Hoewel individuele korte golven relatief machteloos zouden zijn, zouden samenhangende groepen het vermogen hebben om golven te hervormen die veel groter zijn dan zijzelf,” zei Yokoyama. “Dit is een zeldzaam voorbeeld waarbij een theorie van iets op de ene extreme schaal iets aan de andere kant van de schaal lijkt te verklaren.”
Als de theorie van het team dat vroege, kleinschalige fluctuaties in het universum zouden kunnen groeien en grootschalige fluctuaties in de CMB zouden kunnen beïnvloeden correct is, zou dit van invloed zijn op de manier waarop structuren in het universum groeien. Het meten van CMB-fluctuaties kan helpen de omvang van de oorspronkelijke fluctuaties in het vroege heelal te beperken. Dit legt op zijn beurt beperkingen op aan verschijnselen die afhankelijk zijn van kortere fluctuaties, zoals oorspronkelijke zwarte gaten.
“Er wordt algemeen aangenomen dat de ineenstorting van korte maar krachtige golflengten in het vroege heelal heeft geleid tot het ontstaan van oorspronkelijke zwarte gaten”, zegt Christiano. “Onze studie suggereert dat er veel minder oorspronkelijke zwarte gaten zouden moeten zijn dan nodig zou zijn als ze inderdaad sterke kandidaten zouden zijn voor donkere materie of zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen.”
Primordiale zwarte gaten zijn momenteel bevestigde hypothesen. Dit komt omdat de lichtvangende aard van zwarte gaten met stellaire massa het moeilijk maakt om deze grotere objecten te zien. Stel je dus eens voor hoe moeilijk het zou zijn om een zwart gat te spotten met een waarnemingshorizon zo groot als een dubbeltje.
De sleutel tot het ontdekken van oorspronkelijke zwarte gaten ligt misschien niet in de ‘conventionele astronomie’, maar in het meten van kleine rimpelingen in de ruimte-tijd die zwaartekrachtsgolven worden genoemd. Hoewel de huidige zwaartekrachtgolfdetectoren niet gevoelig genoeg zijn om rimpelingen in de ruimtetijd te detecteren die worden veroorzaakt door botsende oorspronkelijke zwarte gaten, zullen toekomstige projecten, zoals de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), de detectie van zwaartekrachtgolven de ruimte in brengen. Dit zou de theorie van het team kunnen helpen bevestigen of verwerpen, waardoor wetenschappers dichter bij de vraag komen of oorspronkelijke zwarte gaten verantwoordelijk kunnen zijn voor donkere materie.
Het onderzoek van het team werd woensdag (29 mei) gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
More Stories
Een nieuw rapport zegt dat het gebruik van ras en etniciteit soms “schadelijk” is in medisch onderzoek
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten vanuit Florida (video en foto’s)
NASA zegt dat de “Halloween-komeet” zijn vlucht langs de zon niet heeft overleefd