Poszukiwania zaginionych, mikroskopijnych czarnych dziur z Wielkiego Wybuchu mogą wkrótce nabrać tempa. Międzynarodowy zespół naukowców znalazł wskazówki w dziedzinie fizyki kwantowej, które mogą ponownie otworzyć sprawę poszukiwania tych pierwotnych czarnych dziur. Jednym z powodów, dla których te poszukiwania są tak ważne, jest to, że pierwotne czarne dziury są sugerowane jako możliwi kandydaci na ciemną materię.

Ciemna materia stanowi 85% masy wszechświata, ale nie oddziałuje ze światłem tak, jak zwykła materia, z której zbudowane są gwiazdy, planety i nasze ciała. Ciemna materia oddziałuje jednak z grawitacją, co może wpływać na „zwykłą materię” i światło, co czyni ją idealnym obiektem do kosmicznych badań.

Jeśli czarne dziury powstałe w Wielkim Wybuchu faktycznie istnieją, byłyby one absolutnie maleńkie — niektóre mogłyby być nawet tak małe jak moneta — i posiadałyby masy równe masom asteroid lub planet. Podobnie jak ich większe odpowiedniki, czarne dziury o masie gwiazdowej i supermasywne czarne dziury, te maleńkie pierwotne czarne dziury miałyby powierzchnię zwaną „horyzontem zdarzeń”, która uniemożliwia im emitowanie lub odbijanie światła, co czyni je solidnym kandydatem na ciemną materię. Mogą być wystarczająco małe, aby pozostać niezauważone, ale wystarczająco silne, aby wpływać na przestrzeń.

Zespół naukowców z Centrum Badawczego Wczesnego Wszechświata (RESCEU) i Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata Kavli (Kavli IPMU, WPI) na Uniwersytecie Tokijskim zastosował teoretyczne ramy łączące klasyczną teorię pól, specjalną teorię względności Einsteina i mechanikę kwantową do wczesnego wszechświata. To ostatnie uwzględnia zachowanie cząstek takich jak elektrony i kwarki, dając początek temu, co nazywamy kwantową teorią pola (QFT).

Zastosowanie QFT do wczesnego wszechświata doprowadziło zespół do przekonania, że w wszechświecie jest znacznie mniej hipotetycznych pierwotnych czarnych dziur, niż wiele modeli obecnie szacuje. Jeśli tak jest, może to całkowicie wykluczyć pierwotne czarne dziury jako kandydatów na ciemną materię.

„Na początku wszechświat był niesamowicie mały, znacznie mniejszy niż rozmiar pojedynczego atomu. Kosmiczna inflacja szybko rozszerzyła to o 25 rzędów wielkości,” powiedział dyrektor Kavli IPMU i RESCEU Jun’ichi Yokoyama. „W tym czasie fale przemieszczające się przez tę małą przestrzeń mogły mieć stosunkowo duże amplitudy, ale bardzo krótkie długości fal.”

Zespół odkrył, że te małe, ale silne fale mogą ulegać wzmocnieniu, stając się znacznie większymi i dłuższymi falami, które astronomowie widzą we współczesnym kosmicznym mikrofalowym tle. Uważają, że to wzmocnienie jest wynikiem koherencji między wczesnymi krótkimi falami, co można wyjaśnić za pomocą QFT.

Jeśli teoria zespołu, że wczesne, małoskalowe fluktuacje w wszechświecie mogą rosnąć i wpływać na fluktuacje na dużą skalę w kosmicznym mikrofalowym tle, jest prawdziwa, wpłynie to na to, jak struktury rosły w kosmosie. Pomiar fluktuacji kosmicznego mikrofalowego tła może pomóc ograniczyć rozmiar pierwotnych fluktuacji we wczesnym wszechświecie. To z kolei stawia ograniczenia na zjawiska, które polegają na krótszych fluktuacjach, takie jak pierwotne czarne dziury.

„Szeroko wierzy się, że zapadanie się krótkich, ale silnych długości fal we wczesnym wszechświecie jest tym, co tworzy pierwotne czarne dziury,” powiedział Kristiano. „Nasze badania sugerują, że powinno być znacznie mniej pierwotnych czarnych dziur, niż by to było potrzebne, jeśli rzeczywiście są silnym kandydatem na ciemną materię lub zdarzenia fal grawitacyjnych.”

Pierwotne czarne dziury są obecnie mocno hipotetyczne. Wynika to z tego, że natura pułapki światła czarnych dziur o masie gwiazdowej sprawia, że nawet te znacznie większe obiekty są trudne do zobaczenia, więc można sobie tylko wyobrazić, jak trudno byłoby dostrzec czarną dziurę z horyzontem zdarzeń wielkości monety.

Kluczem do wykrycia pierwotnych czarnych dziur może być nie „tradycyjna astronomia”, ale raczej pomiar małych zmarszczek w czasoprzestrzeni zwanych falami grawitacyjnymi. Chociaż obecne detektory fal grawitacyjnych nie są wystarczająco czułe, aby wykrywać zmarszczki w czasoprzestrzeni od zderzających się pierwotnych czarnych dziur, przyszłe projekty, takie jak Kosmiczna Antena Interferometryczna Laserowa (LISA), która przeniesie detekcję fal grawitacyjnych w kosmos, mogą pomóc potwierdzić lub odrzucić teorię zespołu, przybliżając naukowców do potwierdzenia, czy pierwotne czarne dziury mogą odpowiadać za ciemną materię.

Źródło: Yahoo News