Όλη η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν μπορεί να είναι αρχέγονες μαύρες τρύπες – σχηματισμένες από την κατάρρευση των παιδικών κόσμων λίγο μετά το Big Bang

Το Ινστιτούτο Kavli για τη Φυσική και τα Μαθηματικά του Σύμπαντος (Kavli IPMU) φιλοξενεί διάφορα διεπιστημονικά έργα που εκμεταλλεύονται τη συνέργεια του ευρέος φάσματος εμπειρογνωμοσύνης που διατίθεται στο ινστιτούτο. Ένα από αυτά τα έργα είναι η μελέτη των μαύρων τρυπών που θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί στον πρώιμο κόσμο, πριν από τη γέννηση των αστεριών και των γαλαξιών.

Αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (PBHs) μπορούν να αντιπροσωπεύουν το σύνολο ή μέρος της σκοτεινής ύλης και είναι υπεύθυνα για ορισμένα από τα παρατηρούμενα στοιχεία. Βαρυτικά κύματα Τα σήματα και οι σπόροι των υπερμεγέθων μαύρων οπών στο κέντρο του γαλαξία μας και άλλων γαλαξιών. Μπορεί επίσης να παίξει ρόλο στη σύνθεση βαρέων στοιχείων όταν συγκρούονται και καταστρέφουν αστέρια νετρονίων, απελευθερώνοντας έτσι μια ουσία πλούσια σε νετρόνια.

Συγκεκριμένα, υπάρχει μια συναρπαστική πιθανότητα ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη, που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, κατασκευάστηκε από αρχέγονες μαύρες τρύπες. Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2020 απονεμήθηκε στον θεωρητικό Roger Penrose και δύο αστρονόμους, Reinhard Gensel και Andrea Gies, για τις ανακαλύψεις τους που επιβεβαίωσαν την ύπαρξη μαύρων τρυπών. Επειδή υπάρχουν μαύρες τρύπες στη φύση, προσφέρουν ένα πολύ ελκυστικό φίλτρο σκοτεινής ύλης.

Πρόσφατες εξελίξεις στη θεμελιώδη θεωρία, την αστροφυσική και τις αστρονομικές παρατηρήσεις στην αναζήτηση τρύπων στην επιφάνεια έχουν γίνει από μια διεθνή ομάδα φυσικών σωματιδίων, κοσμολόγων και αστρονόμων, συμπεριλαμβανομένων των μελών του Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada και Volodymyr Takestov.

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες, η ερευνητική ομάδα εξέτασε το πρώιμο σύμπαν για ενδείξεις. Το πρώιμο σύμπαν ήταν τόσο πυκνό που κάθε θετική διακύμανση της πυκνότητας άνω του 50 τοις εκατό θα δημιουργούσε ένα Μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι κοσμικές διαταραχές στους ταξινομημένους γαλαξίες είναι γνωστό ότι είναι πολύ μικρότερες. Ωστόσο, ορισμένες διαδικασίες στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει τις συνθήκες για τη δημιουργία μαύρων οπών.

Το Hyper Suprime-Cam (HSC) είναι μια τεράστια ψηφιακή κάμερα στο Τηλεσκόπιο Subaru. Πίστωση: HSC / NAOJ Project

Μια ενδιαφέρουσα πιθανότητα είναι ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν από “μικρά σύμπαντα” που προέκυψαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, μια περίοδο ταχείας επέκτασης που πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνη για την εμφύτευση των δομών που παρατηρούμε σήμερα, όπως οι γαλαξίες και οι συστάδες γαλαξιών. Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, τα παιδικά σύμπαντα μπορούν να διαχωριστούν από το σύμπαν μας. Το μικροσκοπικό σύμπαν (ή «κόρη») τελικά θα καταρρεύσει, αλλά η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται στο μικρό μέγεθος προκαλεί τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας.

Μια ακόμη πιο περίεργη μοίρα περιμένει να είναι ένα μεγαλύτερο παιδί. Εάν είναι μεγαλύτερο από κάποιο κρίσιμο μέγεθος, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν επιτρέπει στο βρεφικό σύμπαν να υπάρχει σε μια κατάσταση που φαίνεται διαφορετική από τον παρατηρητή από το εσωτερικό και το εξωτερικό. Ένας εσωτερικός παρατηρητής το βλέπει ως ένα διαστελλόμενο σύμπαν, ενώ ένας εξωτερικός παρατηρητής (όπως εμείς) το βλέπει ως μια μαύρη τρύπα. Σε κάθε περίπτωση, βλέπουμε τα σύμπαντα μεγάλα και μικρά ως πρωτόγονες μαύρες τρύπες, κρύβοντας τη βασική δομή πολλαπλών κόσμων πίσω από τους «ορίζοντες των γεγονότων». Ο ορίζοντας συμβάντων είναι το όριο κάτω από το οποίο τα πάντα, ακόμη και το φως, παγιδεύονται και δεν μπορούν να ξεφύγουν από μια μαύρη τρύπα.

Το αστέρι στην Ανδρομέδα γίνεται προσωρινά φωτεινότερο εάν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα περάσει μπροστά από το αστέρι, εστιάζοντας το φως σύμφωνα με τη θεωρία της βαρύτητας. Πίστωση: Συνεργασία Kavli IPMU / HSC

Στην εφημερίδα τους, η ομάδα περιέγραψε ένα νέο σενάριο για το σχηματισμό PBH και έδειξε ότι οι μαύρες τρύπες από το σενάριο “multiverse” θα μπορούσαν να βρεθούν χρησιμοποιώντας το Hyper Suprime-Cam (HSC) από το Τηλεσκόπιο Subaru 8,2 μέτρων, μια γιγαντιαία ψηφιακή κάμερα – τη διαχείριση στην οποία ο Kavli έπαιξε IPMU Ένας σημαντικός ρόλος – κοντά στην κορυφή ενός βουνού 4200 μέτρων. Mauna Kea στη Χαβάη. Η δουλειά τους είναι μια συναρπαστική επέκταση της έρευνας της HSC για το PBH που συνεχίζει ο Masahiro Takada, κύριος ερευνητής στο IPMU Kavli, και η ομάδα του. Η ομάδα της HSC ανέφερε πρόσφατα έναν σημαντικό περιορισμό στην παρουσία PBHs στο Niikura, Takada et. Ο. Φυσική Αστρονομία 3, 524-534 (2019)

Γιατί η HSC ήταν απαραίτητη σε αυτήν την έρευνα; Η HSC έχει τη μοναδική ικανότητα να φωτογραφίζει ολόκληρο τον γαλαξία της Ανδρομέδας κάθε λίγα λεπτά. Εάν μια μαύρη τρύπα περάσει από την οπτική γωνία σε ένα αστέρι, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας κάμπτει τις ακτίνες φωτός και κάνει το αστέρι να φαίνεται φωτεινότερο από πριν για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Η διάρκεια της φωτεινότητας του αστεριού λέει στους αστρονόμους για τη μάζα της μαύρης τρύπας. Χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις HSC, μπορεί κανείς να παρατηρήσει ταυτόχρονα εκατό εκατομμύρια αστέρια, ρίχνοντας ένα τεράστιο δίκτυο αρχέγονων μαύρων οπών που θα μπορούσαν να διασχίσουν μια οπτική γωνία.

Οι πρώτες παρατηρήσεις του HSC έχουν ήδη αναφέρει ένα πολύ ενδιαφέρον γεγονός φίλτρου που αντιστοιχεί στο PBH του “multiverse”, με μια μαύρη τρύπα παρόμοια με τη μάζα του φεγγαριού. Ενθαρρυνμένος από αυτό το πρώτο σημάδι, και καθοδηγούμενος από μια νέα θεωρητική κατανόηση, η ομάδα διεξάγει έναν νέο γύρο παρατηρήσεων για να διευρύνει την έρευνα και να δώσει μια τελική δοκιμή για το αν οι μαύρες τρύπες στο σενάριο πολλαπλών συνόρων μπορούν να εξηγήσουν όλη τη σκοτεινή ύλη.

Αναφορά: «Εξερεύνηση αρχέγονων μαύρων οπών από το Πολυσύμπαντρο με χρήση Οπτικών Τηλεσκοπίων» των Alexander Kusenko, Mizao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takeistov και Eduardo Vitaliano, 30 Οκτωβρίου 2020 Φυσικές επιστολές επισκόπησης.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.181304