Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman będzie poszukiwał pierwotnych czarnych dziur

Astronomowie odkryli już czarne dziury o masie od kilku do dziesiątek miliardów Słońc. Jednak naukowcy przewidują, że należący do NASA Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman będzie mógł wykryć bardzo lekkie pierwotne czarne dziury.

Jak wskazują astronomowie z NASA, obecnie czarne dziury powstają, gdy masywna gwiazda zapada się lub gdy ciężkie obiekty łączą się. Naukowcy podejrzewają jednak, że mniejsze „pierwotne” czarne dziury, w tym niektóre o masie podobnej do masy Ziemi, mogły powstać w pierwszych chaotycznych momentach istnienia wczesnego Wszechświata.

„Wykrycie populacji pierwotnych czarnych dziur o masie Ziemi byłoby niesamowitym krokiem zarówno dla astronomii, jak i fizyki cząstek elementarnych, ponieważ obiekty te nie mogą powstać w żadnym znanym procesie fizycznym” – mówi William DeRocco z University of California Santa Cruz.

Badanie wskazujące, że Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman, będzie w stanie wykryć te obiekty, zostało opisane w Physical Review D.

Najmniejsze czarne dziury, jakie obecnie powstają, jak tłumaczą naukowcy, rodzą się, gdy masywnej gwieździe kończy się paliwo. Jej ciśnienie zewnętrzne słabnie, gdy fuzja jądrowa zanika, przez co wewnętrzne przyciąganie grawitacyjne staje się niezwykle silne. Gwiazda kurczy się i może stać się tak gęsta, że powstanie czarna dziura. Wymagana jest jednak minimalna masa – co najmniej osiem razy większa od masy Słońca. Lżejsze gwiazdy stają się białymi karłami lub gwiazdami neutronowymi.

Jak tłumaczą badacze, warunki panujące w bardzo wczesnym Wszechświecie mogły jednak pozwolić na uformowanie się znacznie lżejszych czarnych dziur. Obiekt tego typu o masie Ziemi miałaby horyzont zdarzeń – punkt bez powrotu dla spadających obiektów – o szerokości niecałych 2 centymetrów.

Podczas narodzin Wszechświata naukowcy uważają, że doświadczył on krótkiej, ale intensywnej fazy znanej jako inflacja, kiedy przestrzeń rozszerzała się szybciej niż prędkość światła. W tych szczególnych warunkach obszary, które były gęstsze niż ich otoczenie, mogły zapaść się, tworząc pierwotne czarne dziury o niskiej masie.

Chociaż teoria przewiduje, że najmniejsze z nich powinny wyparować, zanim Wszechświat osiągnie swój obecny wiek, te o masie podobnej do Ziemi, zdaniem astronomów, mogły przetrwać. A odkrycie tych niewielkich obiektów miałoby ogromny wpływ na fizykę i astronomię.

„Wpłynęłoby to na wszystko, od formowania się galaktyk, przez zawartość ciemnej materii we Wszechświecie, po historię kosmosu” – twierdzi Kailash Sahu z Space Telescope Science Institute w Baltimore.

Obserwacje ujawniły już wskazówki, że takie obiekty mogą czaić się w naszej galaktyce. Pierwotne czarne dziury byłyby niewidoczne, ale zmarszczki w czasoprzestrzeni pomogły wyłonić kilku potencjalnych podejrzanych. Wykrycie tego typu obiektów, jak wskazują badacze mogłoby być możliwe dzięki urządzeniom takim jak Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman.

Jak tłumaczą naukowcy, mikrosoczewkowanie to efekt obserwacyjny, który występuje, ponieważ obecność masy wypacza strukturę czasoprzestrzeni. Za każdym razem, gdy obiekt wydaje się dryfować w pobliżu gwiazdy tła z punktu widzenia obserwatora, światło musi przemierzyć wypaczoną czasoprzestrzeń wokół obiektu. Obiekt taki może działać jak naturalna soczewka, skupiając i wzmacniając światło gwiazdy tła.

Astronomowie wykorzystując dane z MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) –obserwacji mikrosoczewkowania za pomocą Obserwatorium Uniwersytetu Mount John w Nowej Zelandii i OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), odkryli nieoczekiwanie dużą populację odizolowanych obiektów o masie Ziemi.

Jak zaznaczają badacze, teorie powstawania i ewolucji planet przewidują pewne masy i obfitości planet zbłąkanych – światów wędrujących po galaktyce, niezłączonych grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Obserwacje MOA i OGLE sugerują zdaniem astronomów, że istnieje więcej obiektów o masie Ziemi dryfujących przez galaktykę niż przewidują modele.

„Nie ma sposobu, aby odróżnić czarne dziury o masie Ziemi od planet swobodnych w poszczególnych przypadkach. Naukowcy spodziewają się jednak, że Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman znajdzie 10 razy więcej obiektów w tym zakresie mas niż teleskopy naziemne. Jednak może on być niezwykle skuteczny w statystycznym rozróżnianiu tych dwóch obiektów” – mówi DeRocco.

Znalezienie pierwotnych czarnych dziur ujawniłoby nowe informacje na temat bardzo wczesnego Wszechświata i zdaniem astronomów, sugerowałoby, że wczesny okres inflacji rzeczywiście miał miejsce. Mogłoby to również wyjaśnić niewielki procent tajemniczej ciemnej materii, o której naukowcy mówią, że stanowi większość masy Wszechświata, ale jak dotąd nie byli w stanie jej zidentyfikować. Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman może być jednym z głównych narzędzi służących do poszukiwania pierwotnych czarnych dziur.

Emil Gołoś