Как первичные черные дыры могут объяснить темную материю

Подпишитесь на научный информационный бюллетень CNN Wonder Theory. Исследуйте вселенную, узнавая новости об увлекательных открытиях, научных достижениях и многом другом..

Си-Эн-Эн
—

Уже около 50 лет научное сообщество борется с большой проблемой: во Вселенной недостаточно видимой материи.

Вся материя, которую мы видим — звезды, планеты, космическая пыль и все, что между ними — не может объяснить, почему Вселенная ведет себя именно так, и вокруг нас должно быть в пять раз больше материи, чтобы наблюдения исследователей могли сделать вывод. смысл. По данным НАСА. Ученые называют это вещество темной материей, поскольку оно не взаимодействует со светом и невидимо.

В 1970-х годах американские астрономы Вера Рубин и… Кент Форд обнаружил существование темной материи, наблюдая за звездами, вращающимися вокруг края спиральных галактик. Они отметили, что эти звезды двигались слишком быстро, чтобы их могла удерживать вместе видимая материя и гравитация галактики, и вместо этого их следовало сдуть. Единственным объяснением было то, что галактику удерживало большое количество невидимой материи.

«Что вы видите в спиральной галактике» Робин сказал В то время «это не то, что вы получаете». Ее работа основывалась на гипотезе, сформулированной швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1930-х годах, и положила начало поиску неуловимой материи.

С тех пор ученые пытались напрямую наблюдать темную материю и даже построить ее. Отличная техника Обнаружить его, но пока нам не удалось.

В начале исследования знаменитый британский физик Стивен Хокинг предположил, что темная материя может скрываться в черных дырах — главном объекте его работы — образовавшихся во время Большого взрыва.

Теперь новое исследование ученых из Массачусетского технологического института вернуло теорию в центр внимания, показав, из чего состоят эти первичные черные дыры, и потенциально обнаружив в процессе совершенно новый тип экзотических черных дыр.

«В этом смысле это был действительно приятный сюрприз», — сказал Дэвид Кайзер, один из авторов исследования.

«Мы воспользовались знаменитыми расчетами Стивена Хокинга о черных дырах, особенно его важным результатом об излучении, которое испускают черные дыры», — сказал Кайзер. «Эти экзотические черные дыры возникают в результате попыток решить проблему темной материи. Они являются побочным продуктом объяснения темной материи».

Ученые выдвинули множество предположений о том, что такое темная материя, начиная от неизвестных частиц и заканчивая дополнительными измерениями. Но теория Хокинга о черных дырах вступила в силу лишь недавно.

«Люди не воспринимали это всерьез примерно лет 10 назад», — сказала соавтор исследования Эльба Алонсо Монсальве, аспирантка Массачусетского технологического института. «Это потому, что черные дыры когда-то казались действительно надуманными. В начале 1900-х годов люди думали, что они были просто забавным математическим фактом, а не просто физическим фактом».

Теперь мы знаем, что почти каждая галактика содержит в центре черную дыру, обнаружили исследователи Эйнштейна Гравитационные волны Созданная в результате столкновения черных дыр в 2015 году — знакового открытия — она показала, что они повсюду.

«На самом деле Вселенная полна черных дыр», — сказал Алонсо Монсальве. «Но ни одна частица темной материи не была обнаружена, хотя люди искали ее во всех местах, где ожидали ее найти. Это не означает, что темная материя не является частицей или что это наверняка черные дыры. И то и другое, но теперь «черные дыры воспринимаются всерьез как кандидаты на роль темной материи».

последний Современные исследования Гипотеза Хокинга подтверждается, но работа Алонсо Монсальви и Кайзера, профессора физики и профессора истории науки в Институте Гермсхаузена Массачусетского технологического института, идет на шаг дальше и изучает, что именно произошло, когда впервые появились первичные черные дыры. сформировался. .

тот Стадиопубликованная 6 июня в журнале Physical Review Letters, показывает, что эти черные дыры должны были появиться в первую пятимиллионную долю секунды Большого взрыва: «Это очень рано, намного раньше, чем тот момент, когда появились протоны и нейтроны, Алонсо Монсальве сказал: «Молекулы, из которых состоит все, образовались».

Она добавила, что в нашем повседневном мире мы не можем найти распавшиеся протоны и нейтроны, которые являются элементарными частицами. Однако мы знаем, что это не так, поскольку он состоит из более мелких частиц, называемых кварками, которые удерживаются вместе другими частицами, называемыми глюонами.

«Сейчас во Вселенной невозможно найти кварки и глюоны по отдельности и в свободном виде, потому что там слишком холодно», — добавил Алонсо Монсальви. «Но в начале Большого взрыва, когда было очень жарко, их можно было найти отдельно и свободно. Итак, первичные черные дыры образовались в результате поглощения свободных кварков и глюонов.

Такая конфигурация радикально отличала бы ее от астрофизических черных дыр, которые ученые обычно наблюдают во Вселенной и которые являются результатом коллапса звезд. Первичная черная дыра также была бы намного меньше, и только масса астероида в среднем сократилась бы до размера одного атома. Но если достаточное количество этих первичных черных дыр не испарилось в начале Большого взрыва и не дожило до наших дней, они могли бы быть ответственными за всю или большую часть темной материи.

Согласно исследованию, пока формировались первичные черные дыры, в качестве своего рода побочного продукта, должно быть, образовался другой тип невидимых черных дыр. Это было бы меньше, всего лишь блок А. единорогконденсированный до размера меньше одного протона.

Эти крошечные черные дыры из-за своего небольшого размера смогли уловить редкое и странное свойство кварк-глюонного супа, в котором они образовались, называемое «цветовой заряд». По словам Кайзера, это состояние заряда ограничено кварками и глюонами и никогда не встречается в обычных объектах.

Этот цветной заряд сделал бы ее уникальной среди черных дыр, которые обычно не имеют никакого заряда. «Неизбежно, что эти меньшие черные дыры также образовались бы в качестве побочного продукта (формирования первичных черных дыр), но сегодня они больше не существовали бы, потому что они уже испарились бы», — сказал Алонсо Монсальве.

Однако, если бы до Большого взрыва, когда образовались протоны и нейтроны, оставалось еще около десяти миллионных долей секунды, это могло бы оставить заметные отпечатки пальцев, изменив баланс между двумя типами частиц.

«Баланс между количеством протонов и количеством созданных нейтронов очень тонкий и зависит от того, какая еще материя присутствовала во Вселенной в то время», — добавила она. «Если эти черные дыры с цветными зарядами все еще существовали, то это так. может изменить баланс между протонами и нейтронами».

По словам Кайзера, измерения могут проводиться с помощью наземных телескопов или чувствительных инструментов на орбитальных спутниках. Он добавил, что может быть другой способ подтвердить существование этих странных черных дыр.

«Формирование скопления черных дыр — это чрезвычайно жестокий процесс, который вызовет огромные колебания в окружающем пространстве-времени. Эти темпы будут уменьшаться в течение космической истории, но не до нуля», — сказал Кайзер. «Следующее поколение. гравитационных детекторов могли бы взглянуть». «Проблеск черных дыр малой массы — экзотического состояния материи, которое стало неожиданным побочным продуктом более обыденных черных дыр, которое могло бы объяснить современную темную материю».

Что это означает для текущих экспериментов по обнаружению темной материи, например LZ эксперимент с темной материей В Южной Дакоте?

«Идея странных новых частиц остается интересной гипотезой», — сказал Кайзер. Существуют и другие типы крупных экспериментов, некоторые из которых находятся в стадии разработки, в поисках инновационных способов обнаружения гравитационных волн. На самом деле они могут улавливать некоторые случайные сигналы чрезвычайно бурного процесса формирования первичных черных дыр.

Алонсо Монсальви добавил, что существует также вероятность того, что первичные черные дыры являются лишь небольшой частью темной материи. «На самом деле это не обязательно должно быть то же самое», — сказала она. «Темной материи в пять раз больше, чем обычной материи, а нормальная материя состоит из целого ряда разных частиц. Так почему же темная материя должна быть одним типом объектов?»

По словам Нико Капеллотти, доцента кафедры физики Университета Майами, первичные черные дыры вновь обрели популярность после открытия гравитационных волн, но об их образовании мало что известно. Он не участвовал в исследовании.

«Эта работа — интересный и жизнеспособный вариант объяснения неуловимой темной материи», — сказал Капеллотти.

Исследование является захватывающим и предлагает новый механизм формирования первого поколения черных дыр, сказал Приямвада Натараджан, профессор астрономии и физики Джозефа С. и Софии С. Фрутон в Йельском университете. Она также не участвовала в исследовании.

«Весь водород и гелий в нашей сегодняшней Вселенной были созданы в первые три минуты, и если бы уже тогда существовало достаточное количество этих первичных черных дыр, они бы повлияли на этот процесс, и эти эффекты можно было бы обнаружить», — сказал Натараджан. .

«Тот факт, что эта гипотеза может быть проверена наблюдениями, — это то, что я нахожу действительно захватывающим, не считая того факта, что это предполагает, что природа, вероятно, создавала черные дыры, начиная с самых ранних времен, несколькими путями».