Czy pierwotne czarne dziury to naprawdę gigantyczne grawitino?

Astronomowie nie rozumieją pochodzenia największych czarnych dziur we Wszechświecie. Te czarne dziury pojawiają się tak wczesnym zapisie kosmologicznym, że być może będziemy musieli odwołać się do nowej fizyki, aby wyjaśnić ich wygląd.

Nowe badania proponują intrygującą historię pochodzenia: pierwsze czarne dziury nie pochodziły od gwiazd, ale z skupisk super-egzotycznych, super-hipotetycznych cząstek znanych jako  grawitino [gravitinos], którym udało się przetrwać pierwsze chaotyczne lata po Wielkim Wybuchu.

Trochę za super

Są czarne dziury i wielkie czarne dziury. Największe czarne dziury we Wszechświecie, odpowiednio nazywane „supermasywnymi czarnymi dziurami” (SMBH), znajdują się w centrach prawie każdej galaktyki w kosmosie. Nawet Droga Mleczna ma takiego potwora o masie 4 milionów mas Słońca, oznaczonego jako Sagittarius A*.

Gigantyczne czarne dziury we współczesnym wszechświecie to naprawdę cudowny widok, ale w ciągu ostatniej dekady astronomowie ujawnili istnienie supermasywnych czarnych dziur u zarania gwiazd i galaktyk, kiedy Wszechświat nie miał nawet miliarda lat .

To jest dziwne.

To dziwne, ponieważ o ile wiemy, jedynym sposobem tworzenia czarnych dziur jest śmierć masywnych gwiazd. Kiedy umierają, pozostawiają po sobie czarną dziurę kilka razy masywniejszą od słońca. Aby osiągnąć status nadolbrzyma, muszą połączyć się z innymi czarnymi dziurami i / lub zużywać jak najwięcej gazu, gromadząc te wszystkie miliony mas Słońca.

A to wymaga czasu. Dużo czasu.

We wczesnym wszechświecie pojawienie się samych gwiazd trwało setki milionów lat. O ile nam wiadomo, tuż obok pierwszej generacji gwiazd i galaktyk były supermasywne czarne dziury. Wydaje się, że nie było wystarczająco dużo czasu, aby te gigantyczne czarne dziury uformowały się przez zwykłą i zwyczajową “gwiezdną drogę śmierci”, więc coś podejrzanego się wydarzyło.

Albo nie rozumiemy czegoś fundamentalnego w astrofizyce wzrostu czarnych dziur (co jest całkowicie możliwe), albo gigantyczne czarne dziury powstały w znacznie wcześniejszej, w znacznie bardziej pierwotnej epoce. Ale żeby tak się stało, fizyka, która stworzyła te możliwe pierwsze czarne dziury, musi być… dziwna.

Bliźniak grawitacji

Jakie dziwne? Cóż, tak dziwne, że wykracza daleko, daleko poza obecne granice znanej fizyki. Na szczęście fizycy teoretyczni każdego dnia ciężko pracują, aby wyjść daleko, daleko poza obecne granice znanej fizyki. Jeden z takich przykładów nazywa się supersymetrią [supersymmetry] i jest to próba fizyków zarówno wyjaśnienia niektórych wewnętrznych mechanizmów świata cząstek, jak i przewidzenia istnienia zupełnie nowych cząstek.

W supersymetrii każda cząstka Modelu Standardowego (nazwa nadana naszemu najlepszemu zrozumieniu sfery subatomowej) jest sparowana z partnerem. Powodem tego parowania jest fundamentalna symetria znajdująca się głęboko w matematyce, która może opisywać naturę. Ale ta symetria jest zerwana (przez machinacje niektórych złożonych mechanizmów), więc cząstki będące partnerami supersymetrii nie unoszą się po prostu po świecie ani nie pojawiają się w naszych zderzaczach cząstek.

Zamiast tego, z powodu złamanej symetrii, cząstki partnerskie są zmuszone do posiadania niesamowitych mas, tak dużych, że mogą pojawiać się tylko w reakcjach o najwyższej energii we wszechświecie. Jak dotąd nie znaleziono żadnych dowodów na istnienie cząstek partnerów supersymetrii w naszych eksperymentach z zderzaczami, ale naukowcy wciąż szukają.

Podczas poszukiwań teoretycy spędzają czas na zabawie z różnymi modelami i możliwościami supersymetrii. W jednej wersji jest cząstka znana jako grawitino. Grawitinoto supersymetryczna cząstka partner grawitonu, która sama jest hipotetyczną cząstką przenoszącą siłę grawitacji.

Jeśli zaczynasz się martwić, że to wszystko brzmi trochę zbyt hipotetycznie, to w porządku. Istnienie grawitino jest wysoce spekulatywne i nie jest oparte na żadnych istniejących dowodach. Ale, jak wkrótce się przekonamy, niektóre modele grawitino nadają im bardzo szczególne właściwości, które sprawiają, że są dojrzałe do tworzenia czarnych dziur.

Uruchomienie rękawicy

Jeśli chcesz stworzyć czarne dziury we wczesnym wszechświecie, musisz zaliczyć kilka wyzwań. Na długo przed pojawieniem się pierwszych gwiazd i galaktyk, w naszym wszechświecie dominowało promieniowanie: wysokoenergetyczne światło zalało kosmos, rządząc wokół materii.

Jeśli chcesz stworzyć jakieś przypadkowe czarne dziury w epoce zdominowanej przez promieniowanie, musisz to zrobić szybko, ponieważ ta era w naszym wszechświecie była niezwykle chaotyczna. A kiedy już utworzysz czarne dziury, musisz utrzymywać je przy życiu. Czarne dziury wyparowują w procesie kwantowo-mechanicznym znanym jako promieniowanie Hawkinga, a małe czarne dziury (powiedzmy powstałe w wyniku egzotycznego procesu subatomowego) mogą szybko zniknąć, zanim dostaną szansę na wielkość, nie mówiąc już o supermasywności.

Wprowadź grawitino lub przynajmniej jedną wersję tej hipotetycznej cząstki. Zgodnie z artykułem badawczym opublikowanym niedawno w czasopiśmie preprint arXiv, wysokoenergetyczny wczesny wszechświat mógł mieć odpowiednie warunki do zapełnienia wszechświata grawitinami. Ze względu na ich wyjątkowe właściwości (przede wszystkim zdolność do szybkiego przyciągania grawitacyjnego), mogą szybko tworzyć mikroskopijne czarne dziury.

W miarę upływu czasu we wczesnym Wszechświecie czarne dziury mogą urosnąć na tyle, że będą mogły cieszyć się otaczającym je promieniowaniem, zanim ulegną promieniowaniu Hawkinga. Gdy promieniowanie zniknie, mogą być wystarczająco duże, aby kontynuować zbieranie materii w ramach normalnych procesów astrofizycznych.

Źródła: Paul Sutter

Supermassive gravitinos and giant primordial black holes

Zdjęcia: Event Horizon Telescope Collaboration

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x