Fyzikové MIT spojují temnou hmotu s “přebitými” mikroskopickými černými dírami | Acamprol

SciTechDaily

Zobrazení prvotní černé díry tvořící se uprostřed moře žhavých, barevných kvarků a gluonů, nepatrný zlomek sekundy po Velkém třesku. Kredit: Kaća Bradonjić

Během první kvintiliontiny sekundy mohl vesmír podle odhadů vyklíčit mikroskopické černé díry s obrovským množstvím atomového náboje. MŮJ fyzikové.

Výzkumníci z MIT naznačují, že prvotní černé díry, možná forma temné hmoty, se mohly vytvořit v prvních okamžicích poté Velký třesk a nesly vysoké úrovně jaderné vlastnosti známé jako barevný náboj. Tyto přeplňované černé díry, navzdory své krátké existenci, mohly ovlivnit kosmologii raného vesmíru a mohly by vysvětlit některé dnes pozorované astronomické jevy.

Temná hmota a prvotní černé díry

Na každé kilo hmoty, které vidíme – od telefonu v ruce až po vzdálené hvězdy a galaxie – připadá 5 kilo neviditelné hmoty, která prostupuje naše okolí. Tato “temná hmota” je tajemná entita, která se vyhýbá všem formám přímého pozorování, a přesto je její přítomnost cítit prostřednictvím neviditelného tažení na viditelné objekty.

Před padesáti lety fyzik Stephen Hawking navrhl nápad, co by mohla být temná hmota: populace černých děr, která se mohla zformovat velmi krátce po velkém třesku. Takový “prapůvodní” černé díry nebyli by to goliášové, které dnes detekujeme, ale spíše mikroskopické oblasti ultrahusté hmoty, které by se vytvořily v první kvintiliontině sekundy po velkém třesku a pak by se zhroutily a rozšířily se po vesmíru a vtáhly do okolního časoprostoru. způsoby, jak vysvětlit temnou hmotu, kterou dnes známe.

Odhalování přeplňovaných černých děr

Fyzici z MIT nyní zjistili, že tento prvotní proces by také vytvořil několik neočekávaných společníků: ještě menší černé díry s bezprecedentním množstvím jaderných fyzikálních vlastností známých jako „barevný náboj“.

Tyto nejmenší, “přebité” černé díry by byly zcela novým stavem hmoty, která se pravděpodobně vypařila zlomek sekundy poté, co se zrodily. Přesto mohly ovlivnit důležitý kosmologický přechod: dobu, kdy byla vytvořena první atomová jádra. Fyzici předpokládají, že nabité černé díry mohly ovlivnit rovnováhu mezi slučovanými jádry způsobem, který astronomové jednoho dne objeví při budoucích měřeních. Takové pozorování by přesvědčivě poukázalo na prvotní černé díry jako na kořen veškeré dnešní temné hmoty.

“Ačkoli tato krátkověká exotická stvoření dnes neexistují, mohla ovlivnit vesmírnou historii způsoby, které by se dnes mohly projevit v jemných signálech,” řekl David Kaiser, profesor historie věd z Germeshausenu a profesor fyziky na MIT. “V rámci myšlenky, že veškerou temnou hmotu lze vysvětlit černými dírami, nám to dává nové věci, které můžeme hledat.”

Kaiser a jeho spoluautorka, postgraduální studentka MIT Elba Alonso-Monsalve, publikovali svou studii 6. června v časopise Fyzické kontrolní dopisy.

Čas před hvězdami

Černé díry, které dnes známe a objevujeme, jsou produktem hvězdného kolapsu, kdy se střed masivní hvězdy zhroutí do sebe a vytvoří oblast tak hustou, že může ohýbat časoprostor, takže všechno – dokonce i světlo – uvízne. v . Takové “astrofyzikální” černé díry mohou být cokoli, od několikanásobně hmotnější jako Slunce až po mnoho miliardkrát hmotnější.

“Primordiální” černé díry na druhé straně mohou být mnohem menší a předpokládá se, že vznikly v době před hvězdami. Předtím, než vesmír vůbec připravil základní prvky, natož hvězdy, vědci věří, že kapsy ultrahusté prvotní hmoty se mohly nahromadit a zhroutit a vytvořit mikroskopické černé díry, které mohly být tak husté, že vmáčkly hmotu asteroidu do region tak malý jako jediný atom. Gravitace těchto malých, neviditelných objektů rozptýlených po celém vesmíru by mohla vysvětlit veškerou temnou hmotu, kterou dnes nevidíme.

Pokud ano, z čeho by byly tyto prvotní černé díry vyrobeny? Kaiser a Alonso-Monsalve se touto otázkou zabývali ve své nové studii.

„Lidé zkoumali, jaká je distribuce Černá díra Během této rané produkce vesmíru byly hmoty, ale nikdy to nespojily s tím, jaké druhy věcí by spadly do černých děr v době, kdy se zformovaly,“ vysvětluje Kaiser.

Super nabití nosorožci

Fyzici z MIT nejprve prozkoumali existující teorie pro pravděpodobné rozložení hmot černých děr, když se poprvé vytvořily v raném vesmíru.

„Uvědomili jsme si, že existuje přímá korelace mezi tím, kdy se prvotní černá díra vytvoří a jakou hmotou se tvoří,“ říká Alonso-Monsalve. “A to časové okno je absurdně brzy.”

Ona a Kaiser vypočítali, že prvotní černé díry se musely vytvořit během první kvintiliontiny sekundy po velkém třesku. Tento výbuch času by vytvořil “typické” mikroskopické černé díry masivní jako asteroid a malé jako atom. Také by to poskytlo nepatrný zlomek exponenciálně menších černých děr s hmotností nosorožce a velikostí mnohem menší než jeden proton.

Z čeho by byly tyto prvotní černé díry vyrobeny? Za tímto účelem se zaměřili na studie zkoumající složení raného vesmíru a konkrétně na teorii kvantové chromodynamiky (QCD) – studium toho, jak interagují kvarky a gluony.

Kvantová dynamika a tvorba černých děr

Kvarky a gluony jsou základními stavebními kameny protonů a neutronů – elementárních částic, které se spojily a vytvořily základní prvky periodické tabulky. Ihned po velkém třesku fyzici na základě QCD odhadují, že vesmír byl nesmírně horký plazma kvarků a gluonů, které se poté rychle ochladily a spojily za vzniku protonů a neutronů.

Výzkumníci zjistili, že během první kvintiliontiny sekundy by vesmír stále byl polévkou volných kvarků a gluonů, které se ještě nesjednotily. Jakékoli černé díry, které se vytvořily během této doby, by spolkly nenavázané částice spolu s exotickou vlastností známou jako “barevný náboj” – stav náboje, který nesou pouze nekombinované kvarky a gluony.

Role barevného náboje v dynamice černé díry

“Když jsme poprvé objevili, že se tyto černé díry tvoří v kvark-gluonovém plazmatu, nejdůležitější věcí, kterou jsme museli zjistit, bylo, kolik barevného náboje je obsaženo v kapce hmoty, která skončí v prvotní černé díře?” říká Alonso-Monsalve.

Pomocí teorie QCD vypracovali rozložení barevného náboje, který by měl existovat v horkém raném plazmatu. Pak to porovnali s velikostí oblasti, která by se zhroutila a vytvořila černou díru v první kvintiliontině sekundy. Ukazuje se, že ve většině typických černých děr by v té době nebylo mnoho barevného náboje, protože by se vytvořily absorbováním velkého počtu oblastí, které měly směs nábojů, což by se nakonec sčítalo do „neutrálního ” nabít.

Závěr a budoucí důsledky

Ale nejmenší černé díry by byly naplněny barevným nábojem. Ve skutečnosti by obsahovaly maximální množství jakéhokoli typu náboje povoleného pro černou díru, podle základních fyzikálních zákonů. Zatímco o takových „extrémních“ černých dírách se předpokládalo po celá desetiletí, dosud nikdo neobjevil realistický proces, kterým by se takové podivnosti mohly v našem vesmíru skutečně zformovat.

Profesor Bernard Carr z Queen Mary University of London, odborník na téma primordiálních černých děr, který na tomto tématu poprvé pracoval se Stephenem Hawkingem, popisuje novou práci jako „vzrušující“. Carr, který se na studii nepodílel, říká, že práce „ukazuje, že existují okolnosti, kdy malá část raného vesmíru může vstoupit do objektů s obrovským množstvím barevného náboje (alespoň na chvíli), exponenciálně většího, než jaký byla identifikována v předchozích studiích QCD.”

Přeplňované černé díry by se rychle vypařily, ale možná až po době, kdy se začala tvořit první atomová jádra. Vědci odhadují, že tento proces začal asi sekundu po velkém třesku, což by dalo extrémním černým dírám dostatek času k narušení rovnovážných podmínek, které by panovaly, když se začala tvořit první jádra. Takové poruchy by mohly potenciálně ovlivnit, jak se formovala nejranější jádra způsoby, které lze jednoho dne pozorovat.

“Tyto objekty mohly zanechat nějaké vzrušující pozorovací otisky,” přemítá Alonso-Monsalve. “Mohli změnit rovnováhu mezi tím a tím, a to je věc, o které se můžete začít zajímat.”

Reference: “Primordial Black Holes with QCD Color Charge” od Elby Alonso-Monsalve a Davida I. Kaisera, 6. června 2024, Fyzické kontrolní dopisy.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.231402

Tento výzkum částečně podpořilo americké ministerstvo energetiky. Alonso-Monsalve je také podporován stipendiem z katedry fyziky MIT.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *