Donkere materie: hoe oorspronkelijke zwarte gaten een al lang bestaand mysterie kunnen verklaren

Meld u aan voor de wetenschapsnieuwsbrief Wonder Theory van CNN. Verken het universum met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke vooruitgang en meer.

CNN
—

Al ongeveer vijftig jaar worstelt de wetenschappelijke gemeenschap met een groot probleem: er is niet genoeg zichtbare materie in het universum.

Alle materie die we kunnen zien – sterren, planeten, kosmisch stof en alles daartussenin – kan niet verklaren waarom het universum zich gedraagt ​​zoals het doet, en er zou vijf keer zoveel materie om ons heen moeten zijn voordat de waarnemingen van onderzoekers mogelijk zijn. gevoel. Volgens NASA. Wetenschappers noemen deze stof donkere materie, omdat deze geen interactie heeft met licht en onzichtbaar is.

In de jaren zeventig ontdekten de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en… Kent Ford ontdekte het bestaan ​​van donkere materie door te kijken naar sterren die rond de rand van spiraalstelsels cirkelen. Ze merkten op dat deze sterren te snel bewogen om bij elkaar te worden gehouden door de zichtbare materie en de zwaartekracht van het sterrenstelsel, en dat ze in plaats daarvan hadden moeten worden weggeblazen. De enige verklaring was dat er een grote hoeveelheid onzichtbare materie was die de Melkweg bij elkaar hield.

“Wat je ziet in een spiraalstelsel” zei Robin Destijds “is dat niet wat je krijgt.” Haar werk was gebaseerd op een hypothese die in de jaren dertig door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky werd geformuleerd, en begon de zoektocht naar de ongrijpbare materie.

Sindsdien proberen wetenschappers donkere materie rechtstreeks te observeren en zelfs te bouwen Geweldige apparaten Om het te ontdekken, maar tot nu toe hebben we geen geluk gehad.

Al vroeg in het onderzoek veronderstelde de beroemde Britse natuurkundige Stephen Hawking dat donkere materie zich zou kunnen verbergen in zwarte gaten – het hoofdonderwerp van zijn werk – gevormd tijdens de oerknal.

Nu heeft een nieuwe studie door onderzoekers van MIT de theorie weer in de schijnwerpers gezet, waardoor onthuld wordt waar deze oorspronkelijke zwarte gaten van gemaakt zijn, en mogelijk een geheel nieuw type exotisch zwart gat wordt ontdekt.

“Het was op die manier echt een leuke verrassing”, zegt David Kaiser, een van de auteurs van het onderzoek.

‘We profiteerden van de beroemde berekeningen van Stephen Hawking over zwarte gaten, en vooral van zijn belangrijke resultaat over de straling die zwarte gaten uitzenden,’ zei Kaiser. “Deze exotische zwarte gaten ontstaan ​​door pogingen om het probleem van de donkere materie aan te pakken. Ze zijn een bijproduct van de verklaring van donkere materie.”

Wetenschappers hebben veel gissingen gedaan over wat donkere materie is, variërend van onbekende deeltjes tot extra dimensies. Maar Hawkings theorie over zwarte gaten is pas onlangs in werking getreden.

“Mensen namen het pas tien jaar geleden serieus”, zegt co-auteur Elba Alonso Monsalve, een afgestudeerde student aan het MIT. “Dit komt omdat zwarte gaten ooit heel vergezocht leken. Aan het begin van de twintigste eeuw dachten mensen dat ze gewoon een leuk wiskundig feit waren, en niet alleen een fysiek feit.”

We weten nu dat bijna elk sterrenstelsel een zwart gat in het centrum bevat, ontdekten Einstein-onderzoekers Zwaartekrachtgolven Het ontstond door de botsing van zwarte gaten in 2015 – een baanbrekende ontdekking – en toonde aan dat ze overal voorkomen.

“In feite zit het universum vol zwarte gaten”, zei Alonso Monsalve. “Maar er werd geen deeltje van donkere materie gevonden, ook al keken mensen op alle plaatsen waar ze het verwachtten het te vinden. Dit betekent niet dat donkere materie geen deeltje is, of dat het zeker een combinatie ervan kan zijn beide Maar nu “worden zwarte gaten serieus genomen als kandidaten voor donkere materie.”

laatst Moderne studies Er wordt bevestigd dat de hypothese van Hawking waar is, maar het werk van Alonso Monsalvi en Kaiser, hoogleraar natuurkunde en hoogleraar geschiedenis van de wetenschap aan het Germshausen Instituut van MIT, gaat nog een stap verder en onderzoekt precies wat er gebeurde toen oorspronkelijke zwarte gaten voor het eerst ontstonden. gevormd. .

de Stadiongepubliceerd op 6 juni in het tijdschrift Physical Review Letters, onthult dat deze zwarte gaten moeten zijn verschenen in de eerste vijf miljoenste van een seconde van de oerknal: “Dit is heel vroeg, veel eerder dan het moment waarop protonen en neutronen verschenen. ‘ Alonso Monsalve zei: ‘De moleculen waaruit alles bestaat, zijn gevormd.’

Ze voegde eraan toe dat we in onze dagelijkse wereld geen gedesintegreerde protonen en neutronen kunnen vinden, wat elementaire deeltjes zijn. We weten echter dat dit niet zo is, omdat het bestaat uit kleinere deeltjes die quarks worden genoemd en bij elkaar worden gehouden door andere deeltjes die gluonen worden genoemd.

“Je kunt quarks en gluonen nu niet alleen en vrij in het universum vinden, omdat het te koud is”, voegde Alonso Monsalvi eraan toe. ‘Maar in het begin van de oerknal, toen het erg heet was, hadden ze alleen en vrij kunnen worden gevonden. Primordiale zwarte gaten werden dus gevormd door de absorptie van vrije quarks en gluonen.

Een dergelijke configuratie zou het radicaal anders maken dan de astrofysische zwarte gaten die wetenschappers gewoonlijk in het universum waarnemen en die het resultaat zijn van de ineenstorting van sterren. Het oorspronkelijke zwarte gat zou ook veel kleiner zijn, waarbij gemiddeld alleen de massa van de asteroïde gecondenseerd zou zijn tot de grootte van één atoom. Maar als niet genoeg van deze oorspronkelijke zwarte gaten aan het begin van de oerknal zouden verdampen en tot op de dag van vandaag blijven bestaan, zouden ze verantwoordelijk kunnen zijn voor alle of het grootste deel van de donkere materie.

Terwijl de oorspronkelijke zwarte gaten zich vormden, moet zich volgens het onderzoek een ander type onzichtbaar zwart gat hebben gevormd als een soort bijproduct. Dit zou kleiner zijn geweest, slechts een blok A eenhoorngecondenseerd tot minder dan de grootte van één proton.

Deze kleine zwarte gaten waren vanwege hun kleine formaat in staat een zeldzame en vreemde eigenschap vast te leggen van de quark-gluonsoep waarin ze zich vormden, genaamd ‘kleurlading’. Het is een ladingstoestand die beperkt is tot quarks en gluonen, en die nooit wordt aangetroffen in gewone objecten, zei Kaiser.

Deze kleurlading zou hem uniek maken onder de zwarte gaten, die doorgaans geen enkele lading hebben. “Het is onvermijdelijk dat deze kleinere zwarte gaten zich ook zouden hebben gevormd, als bijproduct (van de vorming van oorspronkelijke zwarte gaten), maar ze zouden vandaag de dag niet meer bestaan, omdat ze al verdampt zouden zijn,” zei Alonso Monsalve.

Als het echter nog ongeveer tien miljoenste van een seconde verwijderd was van de oerknal, toen de protonen en neutronen ontstonden, had het waarneembare vingerafdrukken kunnen achterlaten door de balans tussen de twee soorten deeltjes te veranderen.

“De balans tussen het aantal protonen en het aantal gecreëerde neutronen is zeer delicaat en hangt af van welke andere materie er op dat moment in het universum aanwezig was,” voegde ze eraan toe. “Als deze zwarte gaten met gekleurde ladingen er nog steeds zouden zijn zou de balans tussen protonen en neutronen kunnen veranderen.” (Voor het een of het ander), wat net genoeg is om dat in de komende paar jaar te meten.”

De meting zou afkomstig kunnen zijn van telescopen op de grond of gevoelige instrumenten op satellieten in een baan om de aarde, zei Kaiser. Hij voegde eraan toe dat er misschien een andere manier is om het bestaan ​​van deze vreemde zwarte gaten te bevestigen.

“De vorming van een cluster van zwarte gaten is een extreem gewelddadig proces dat enorme rimpelingen in de omringende ruimte-tijd zou veroorzaken. Deze aantallen zullen in de loop van de kosmische geschiedenis afnemen, maar niet tot nul,” zei Kaiser van zwaartekrachtdetectoren zou een kijkje kunnen nemen.” “Een glimp van zwarte gaten met een kleine massa – een exotische toestand van materie die een onverwacht bijproduct was van meer alledaagse zwarte gaten die de huidige donkere materie zouden kunnen verklaren.”

Wat betekent dit voor lopende experimenten die donkere materie proberen te detecteren, b.v LZ-experiment met donkere materie In Zuid-Dakota?

“Het idee van vreemde nieuwe deeltjes blijft een interessante hypothese,” zei Kaiser. Er zijn nog andere soorten grote experimenten, waarvan sommige in aanbouw, op zoek naar innovatieve manieren om zwaartekrachtgolven te detecteren. Deze kunnen in feite enkele verdwaalde signalen opvangen van het extreem gewelddadige vormingsproces van oorspronkelijke zwarte gaten.

Alonso Monsalvi voegde eraan toe dat er ook de mogelijkheid bestaat dat oorspronkelijke zwarte gaten slechts een klein deel van de donkere materie zijn. “Het hoeft niet echt hetzelfde te zijn,” zei ze. “Er is vijf keer meer donkere materie dan normale materie, en normale materie bestaat uit een hele reeks verschillende deeltjes. Dus waarom moet donkere materie één type object zijn?”

Primordiale zwarte gaten werden opnieuw populair door de ontdekking van zwaartekrachtgolven, maar er is nog weinig bekend over hun vorming, aldus Nico Capellotti, assistent-professor aan de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Miami. Hij heeft niet deelgenomen aan het onderzoek.

“Dit werk is een interessante en haalbare optie om ongrijpbare donkere materie te verklaren,” zei Capellotti.

De studie is opwindend en suggereert een nieuw mechanisme voor de vorming van de eerste generatie zwarte gaten, zegt Priyamvada Natarajan, Joseph S. en Sophia S. Fruton hoogleraar astronomie en natuurkunde aan de Yale University. Ook zij heeft niet deelgenomen aan het onderzoek.

“Al het waterstof en helium in ons universum van vandaag werd in de eerste drie minuten gecreëerd, en als er toen al voldoende van deze oorspronkelijke zwarte gaten hadden bestaan, zouden ze dat proces hebben beïnvloed en die effecten hadden mogelijk waarneembaar kunnen zijn”, zei Natarajan. .

“Het feit dat dit een observationeel testbare hypothese is, vind ik echt spannend, afgezien van het feit dat dit suggereert dat de natuur waarschijnlijk vanaf de vroegste tijden zwarte gaten heeft gemaakt via meerdere routes.”