Romeinse telescoop zoekt naar oorspronkelijke zwarte gaten

NASANancy Grace Romeinse ruimtetelescoop Het kan voorheen onopgemerkte ‘vederlichte’ zwarte gaten onthullen die een massa hebben die vergelijkbaar is met die van de aarde. Deze oorspronkelijke zwarte gaten, die aan het begin van het heelal ontstonden, zouden een grote invloed kunnen hebben op ons begrip van de astronomie en de deeltjesfysica, en zouden mogelijk een deel van de donkere materie in het heelal kunnen verklaren.

Astronomen hebben zwarte gaten ontdekt met massa’s variërend van enkele malen de massa van de zon tot tientallen miljarden. Nu heeft een groep wetenschappers voorspeld dat NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope in staat zal zijn een klasse van ‘vederlichte’ zwarte gaten te vinden die tot nu toe aan detectie zijn ontsnapt.

Tegenwoordig ontstaan ​​zwarte gaten wanneer een massieve ster instort of wanneer massieve objecten samensmelten. Wetenschappers vermoeden echter dat kleinere ‘oorspronkelijke’ zwarte gaten, waaronder enkele met een massa die vergelijkbaar is met die van de aarde, zich zouden kunnen hebben gevormd tijdens de eerste chaotische momenten van het vroege heelal.

“De ontdekking van een populatie van oorspronkelijke zwarte gaten met de massa van de aarde zou een verbazingwekkende stap zijn voor zowel de astronomie als de deeltjesfysica, omdat deze objecten door geen enkel bekend fysiek proces gevormd kunnen zijn”, zegt William DiRocco, een postdoctoraal onderzoeker aan de UC Santa Fe. Cruz die een onderzoek leidde naar hoe de Romeinen ze ontdekten. Een paper waarin de resultaten worden beschreven Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling d. “Als we ze vinden, zal dit het veld van de theoretische natuurkunde opschudden.”

De ontdekking van oorspronkelijke zwarte gaten met de massa van de aarde met behulp van de Romeinse ruimtetelescoop van NASA zou ons begrip van het universum en donkere materie kunnen veranderen. Bron: NASA Goddard Space Flight Center

Origineel zwart gat recept

De kleinste zwarte gaten die vandaag de dag ontstaan, ontstaan ​​wanneer een massieve ster geen brandstof meer heeft. De uitwendige druk neemt af naarmate de kernfusie afneemt, dus de naar binnen gerichte zwaartekracht wint het touwtrekken. De ster trekt samen en kan zo compact worden dat hij… Zwart gat.

Maar er is een minimale massa vereist: minimaal acht keer de massa van onze zon. De lichtere sterren zullen ofwel in witte dwergen ofwel in neutronensterren veranderen.

De omstandigheden in het zeer vroege heelal hebben er echter mogelijk voor gezorgd dat er veel lichtere zwarte gaten zijn ontstaan. Een persoon die de massa van de aarde weegt, zou een waarnemingshorizon hebben – het point of no return voor vallende voorwerpen – die ongeveer de breedte heeft van een Amerikaans dubbeltje.

Net toen het universum werd geboren, denken wetenschappers dat het een korte maar intense fase doormaakte die bekend staat als inflatie, toen de ruimte zich sneller uitbreidde dan de snelheid van het licht. Onder deze bijzondere omstandigheden zouden regio’s die dichter waren dan de omliggende regio’s kunnen zijn ingestort en zo primordiale zwarte gaten met een lage massa hebben gevormd.

Hoewel de theorie voorspelt dat de kleinste zouden moeten verdampen voordat het universum zijn huidige leeftijd zou bereiken, zouden degenen met een massa vergelijkbaar met die van de aarde het hebben overleefd.

De ontdekking van deze kleine objecten zal een enorme impact hebben op de natuurkunde en astronomie.

“Dit zal van invloed zijn op alles, van de vorming van sterrenstelsels tot de donkere materie-inhoud van het universum en de kosmische geschiedenis”, zegt Kailash Sahu, een astronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het bevestigen van hun identiteit zal hard werken zijn en astronomen zullen veel overtuigingskracht nodig hebben, maar het zal de moeite waard zijn.”

Stephen Hawking veronderstelde dat zwarte gaten langzaam zouden kunnen krimpen als er straling ontsnapt. De langzame lekkage van wat nu bekend staat als Hawking-straling zal er na verloop van tijd voor zorgen dat het zwarte gat eenvoudigweg verdampt. Deze infographic toont de geschatte levensduur en gebeurtenishorizon – het punt waarboven vallende objecten niet langer kunnen ontsnappen aan de zwaartekracht van een zwart gat – en de diameters van zwarte gaten met verschillende kleine massa’s. Bron: NASA Goddard Space Flight Center

Tips van verborgen huiseigenaren

Waarnemingen hebben al bewijs opgeleverd dat dergelijke objecten zich mogelijk in onze Melkweg op de loer bevinden. Primordiale zwarte gaten zijn misschien onzichtbaar, maar rimpels in de ruimte-tijd hebben ertoe bijgedragen dat een aantal potentiële verdachten zijn opgepakt.

Microlensing is een observatie-effect dat wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van massa die het weefsel van ruimte-tijd vervormt, zoals de afdruk die een bowlingbal achterlaat wanneer deze op een trampoline wordt geplaatst. Elke keer dat een object vanuit ons perspectief dicht bij een achtergrondster lijkt te drijven, moet het licht van de ster de kromgetrokken ruimte-tijd rond het object doorkruisen. Als de uitlijning bijzonder dichtbij is, kan het object fungeren als een natuurlijke lens, waarbij het licht van de achtergrondster wordt gefocusseerd en versterkt.

Afzonderlijke groepen astronomen hebben dit ontdekt met behulp van gegevens van MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – een samenwerkingsverband dat microlensing-waarnemingen uitvoert met behulp van het Mount John University Observatory in Nieuw-Zeeland – en OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Een onverwacht groot aantal geïsoleerde objecten met aardmassa.

Theorieën over de vorming en evolutie van planeten voorspellen bepaalde massa’s en overvloed aan schurkenplaneten – werelden die door de Melkweg zwerven, los van een ster. MOA- en OGLE-waarnemingen geven aan dat er meer objecten met een aardmassa door de Melkweg zweven dan modellen voorspellen.

Het concept van deze kunstenaar hanteert een fantasiebenadering bij het voorstellen van kleine oorspronkelijke zwarte gaten. In feite zouden zulke kleine zwarte gaten moeite hebben met het vormen van de accretieschijven die ze hier zichtbaar maken. Bron: NASA Goddard Space Flight Center

“Er is geen manier om van geval tot geval onderscheid te maken tussen zwarte gaten met een massa van de aarde en schurkenplaneten”, aldus DiRocco. Maar wetenschappers verwachten dat Roman een aantal objecten zal vinden in dit massabereik dat tien keer groter is dan telescopen op de grond. “Roman zou zeer krachtig zijn in het statistisch onderscheid maken tussen de twee.”

DiRocco leidde de pogingen om te bepalen hoeveel schurkenplaneten zich in dit massabereik zouden moeten bevinden, en hoeveel oorspronkelijke zwarte gaten de Romeinen ertussen konden onderscheiden.

Het vinden van oorspronkelijke zwarte gaten zou nieuwe informatie onthullen over het zeer vroege heelal, en zou er sterk op wijzen dat er al een vroege periode van inflatie had plaatsgevonden. Het zou ook een klein percentage kunnen verklaren van de mysterieuze donkere materie die volgens wetenschappers het grootste deel van de massa van het universum uitmaakt, maar die ze nog niet hebben kunnen identificeren.

“Dit is een opwindend voorbeeld van iets dat meer wetenschappers kunnen doen met de gegevens die Roman al zal hebben tijdens zijn zoektocht naar planeten,” zei Sahu. “De resultaten zijn interessant, ongeacht of wetenschappers wel of geen bewijs vinden van zwarte gaten met een massa van de aarde. Het zou ons begrip van het universum hoe dan ook vergroten.”

Referentie: “Het detecteren van oorspronkelijke zwarte gaten met de massa van de aarde met behulp van de Nancy Grace Roman Space Telescope” door William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo en Nolan Smith, 8 januari 2024, Fysieke beoordeling d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

De Nancy Grace Roman Space Telescope wordt geëxploiteerd in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, met deelname van NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Caltech/IPAC in Zuid-Californië, het Space Telescope Science Institute in Baltimore, en een wetenschappelijk team dat bestaat uit wetenschappers van rond de wereld. Onderzoeksinstituten. Primaire industriële partners zijn BAE Systems, Inc. uit Boulder, Colorado; L3Harris Technologies in Rochester, New York; en Teledyne Scientific & Imaging in Thousand Oaks, Californië.