Miniaturowe czarne dziury – dlaczego nie było ich we wczesnym Wszechświecie

Naukowcy zastosowali kwantową teorię pola, zwykle stosowaną do badania bardzo małych obiektów, do nowego celu – zbadania, dlaczego miniaturowe czarne dziury nie występowały we wczesnym Wszechświecie.

Badacze z Research Center for the Early Universe (RESCEU) i Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) na University of Tokyo, doszli do wniosku, że miniaturowe czarne dziury powinny występować w znacznie mniejszej liczbie, niż sugeruje to większość modeli, a obserwacje potwierdzające to powinny być wkrótce możliwe. Tego typu obiekty mogą być również możliwym rozwiązaniem zagadnienia ciemnej materii. Badanie zostało opublikowane w Physical Review Letters i Physical Re9view D.

Kwantowa teoria pola (ang. Quantum Field Theory, QFT) – współczesna teoria fizyczne tłumaczące oddziaływania podstawowe (oddziaływania fizyczne obserwowane w przyrodzie, niedające się sprowadzić do innych oddziaływań). Jest ona rozwinięciem mechaniki kwantowej (teoria fizyczna rozszerzająca mechanikę klasyczną, konieczna do poprawnego opisu mikroświata, tj. pojedynczych cząstek elementarnych i ich układów) zapewniającym jej zgodność ze szczególną teorią względności. QFT w odróżnieniu od pierwotnej relatywistycznej mechaniki kwantowej (teoria uwzględniająca istnienie skończonej, maksymalnej do osiągnięcia prędkości równej prędkości światła w próżni, zarówno dla ruchu cząstek, jak i propagacji oddziaływania.) uwzględnia zjawiska, w których zmienia się liczba cząstek elementarnych w czasie.

Chociaż szczegóły powstania nie są jasne, ogólny konsensus wśród fizyków jest taki, że Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, rozpoczął się od wybuchu, szybko się rozszerzał w okresie zwanym inflacją i po drodze zmienił się z jednorodnego w zawierający szczegóły i strukturę.

Jak podkreślają astronomowie, większość Wszechświata jest pusta, ale mimo to wydaje się być znacznie cięższa niż możliwe jest to do wytłumaczenia za pomocą widocznych struktur – rozbieżność ta nazywana jest ciemną materią i badacze nie wiedzą, jak to wytłumaczyć, ale pojawiają się dowody na to, że mogą to być czarne dziury, a w szczególności te bardzo stare.

„Nazywamy je pierwotnymi czarnymi dziurami (PBH), a wielu badaczy uważa, że są one kandydatem na ciemną materię, ale musiałoby być ich wiele, aby spełnić tę teorię. Są one interesujące również z innych powodów, ponieważ od czasu niedawnej innowacji w astronomii fal grawitacyjnych odkryto przypadki łączenia się binarnych czarnych dziur, co można wyjaśnić, jeśli PBH istnieją w dużych ilościach. Jednak pomimo tych znaczących dowodów przemawiających za ich oczekiwaną obfitością, nie zaobserwowaliśmy ich bezpośrednio, a teraz mamy model, który powinien wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje” – mówi Jason Kristiano z University of Tokyo.

Naukowcy zbadali różne modele powstawania PBH, ale odkryli, że wiodący pretendenci nie są zgodni z rzeczywistymi obserwacjami mikrofalowego promieniowania tła (CMB), które jest czymś w rodzaju odcisku palca pozostałego po Wielkim Wybuchu – oznaczającego początek Wszechświata. Jednak zdaniem astronomów, jeśli coś nie zgadza się z obserwacjami, to albo nie może być prawdą, albo może co tylko częścią całego obrazu.

Badacze zastosowali nowatorskie podejście do skorygowania wiodącego modelu powstawania PBH z kosmicznej inflacji, aby lepiej pasował do obecnych obserwacji i mógł być dalej weryfikowany za pomocą nadchodzących obserwacji przez naziemne obserwatoria fal grawitacyjnych.

„Na początku Wszechświat był niewiarygodnie mały, znacznie mniejszy niż rozmiar pojedynczego atomu. Kosmiczna inflacja gwałtownie powiększyła go o 25 rzędów wielkości. W tym czasie fale przemieszczające się przez tę niewielką przestrzeń mogły mieć stosunkowo duże amplitudy, ale bardzo krótkie długości fal. Odkryliśmy, że te małe, ale silne fale mogą przekładać się na niewytłumaczalne w inny sposób wzmocnienie znacznie dłuższych fal, które obserwujemy w obecnym CMB” – podkreśla Yokoyama.

„Uważamy, że jest to spowodowane sporadycznymi przypadkami spójności między tymi wczesnymi krótkimi falami, które można wyjaśnić za pomocą kwantowej teorii pola, najbardziej solidnej teorii, jaką mamy do opisania codziennych zjawisk, takich jak fotony czy elektrony. Podczas gdy pojedyncze krótkie fale byłyby stosunkowo bezsilne, spójne grupy miałyby moc przekształcania fal znacznie większych niż one same. Jest to rzadki przypadek, w którym teoria czegoś w jednej skrajnej skali wydaje się wyjaśniać coś na przeciwległym końcu skali” – dodaje.

Jeśli, jak sugerują badacze, wczesne fluktuacje o małej skali we Wszechświecie wpływają na te o większej, które naukowcy obserwują w CMB, może to zmienić standardowe wyjaśnienie gruboziarnistych struktur we wszechświecie. Biorąc jednak pod uwagę, że możemy wykorzystać pomiary długości fal w mikrofalowym promieniowaniu tła, do skutecznego ograniczenia zakresu odpowiadających im długości fal we wczesnym Wszechświecie. Zdaniem naukowców ogranicza to wszelkie inne zjawiska, które mogą opierać się na tych krótszych, silniejszych długościach fal.

„Powszechnie uważa się, że zapadanie się krótkich, ale silnych fal we wczesnym Wszechświecie było tym co tworzyło miniaturowe czarne dziury. Jednak nasze badanie sugeruje, że powinno być znacznie mniej PBH niż byłoby to konieczne, jeśli rzeczywiście są one silnym kandydatem na ciemną materię lub zdarzenia fal grawitacyjnych” – podsumowuje Kristiano.

Emil Gołoś