Czy pierwotne czarne dziury istnieją?

Pierwotne czarne dziury to hipotetyczne obiekty powstałe w najwcześniejszych momentach istnienia Wszechświata. Zgodnie z modelami, powstały one w wyniku mikro-fluktuacji gęstości materii i czasoprzestrzeni i mogły stać się obiektami wielkości ziaren piasku.

Jak tłumaczą astronomowie, chociaż pierwotne czarne dziury nigdy nie zostały wykryte, posiadają one wszystkie właściwości ciemnej materii, takie jak brak emisji światła i zdolność do skupiania się wokół galaktyk. Gdyby potwierdzono ich istnienie, mogłyby wyjaśniać większość wpływu ciemnej materii.

Większość kandydatów na pierwotne czarne dziury, jak zaznaczają badacze została wykluczona przez obserwacje. Ale, aby wyjaśnić istnienie ciemnej materii, musiałoby istnieć tak wiele tego rodzaju małych obiektów i często przechodziłyby one przed gwiazdą, przez co możliwa byłaby ich obserwacja. Jak wskazują naukowcy, stworzyłoby to rozbłysk mikrosoczewkowania, który były regularnie widoczny. Kilka przeglądów nieba bezskutecznie poszukiwało takiego zdarzenia, więc ciemna materia PBH nie jest obecnie popularnym pomysłem.

Nowe badanie „Ultralight Primordial Black Holes”, opublikowane w serwisie arXiv, autorstwa Stefano Profumo z Santa Cruz Institute for Particle Physics, wskazuje na nieco inne podejście. Zamiast skupiać się na pierwotnych czarnych dziurach o typowej wielkości, rozważa ultralekkie tego typu obiekty, które znajdują się na granicy możliwych mas i są tak małe, że w grę wchodziłoby promieniowanie Hawkinga.

Jak tłumaczą astronomowie, tempo rozpadu Hawkinga jest odwrotnie proporcjonalne do rozmiaru czarnej dziury, więc te ultralekkie obiekty powinny promieniować do końca swojego życia w krótkiej kosmicznej skali czasowej. Ponieważ naukowcy nie dysponują pełnym modelem grawitacji kwantowej, nie wiedzą, co stałoby się, gdy pierwotne czarne dziury kończyły życie.

Zdaniem badaczy istnieją trzy możliwości. Pierwszą z nich jest całkowite wypromieniowanie obiektu. Pierwotne czarne dziury umierałyby jako krótki błysk wysokoenergetycznych cząstek. Druga to sytuacja, w której jakiś mechanizm zapobiega całkowitemu wyparowaniu i obiekt osiąga pewien stan równowagi. Trzecia możliwość jest podobna do drugiej, ale w tym przypadku stan równowagi powoduje zniknięcie horyzontu zdarzeń, pozostawiając odsłoniętą gęstą masę znaną jako „naga osobliwość”.

W przypadku całkowitego wypromieniowania, zdaniem astronomów, największą niewiadomą jest skala czasowa. Jeśli pierwotne czarne dziury były początkowo małe, mogły szybko wyparować i przyczynić się do efektu ponownego ogrzania wczesnego kosmosu. Jeśli wypromieniowanie jest powolne, naukowcy twierdzą, że byliby w stanie zaobserwować ich śmierć w postaci błysku promieni gamma. Jednak żaden z tych efektów nie został uchwycony, ale możliwe jest, że detektory takie jak Large Area Telescope Fermiego mogą mogły tego dokonać.

W przypadku dwóch ostatnich możliwości, astronomowie wskazują, że równowaga zostałaby osiągnięta w okolicach skali Plancka (skala energii w pobliżu gigaelektronowolta, przy której efekty kwantowe grawitacji stają się silne; w tej skali opis oddziaływań cząstek subatomowych w kategoriach kwantowej teorii pola załamuje się). Pozostałości byłyby wielkości protonu, ale o znacznie większej masie. Niestety, jeśli te pozostałości byłyby elektrycznie neutralne, byłyby niemożliwe do wykrycia. Nie rozpadałyby się na inne cząstki, ani nie byłyby wystarczająco duże, aby je bezpośrednio wykryć. Byłoby to zgodne z obserwacjami. Model ten jest, jak zaznaczają badacze, zasadniczo nie do udowodnienia. Jeśli cząstki te jednak miałyby ładunek, wówczas możliwe byłoby wykrycie ich obecność w detektorach neutrin nowej generacji.

Emil Gołoś