Ciemna materia może być tworzona z czarnych dziur od zarania dziejów

Według najnowszych badań ciemna materia, tajemnicza substancja, która wywiera przyciąganie grawitacyjne, ale nie emituje światła, może tak naprawdę składać się z ogromnych skupisk starożytnych czarnych dziur powstałych na samym początku wszechświata.

Wniosek ten wypływa z analizy fal grawitacyjnych, czyli zmarszczek w czasoprzestrzeni, powstałych w wyniku dwóch odległych zderzeń między czarnymi dziurami i gwiazdami neutronowymi .

Pofałdowania – oznaczone jako GW190425 i GW190814 – zostały wykryte w 2019 roku przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Waszyngtonie i Luizjanie oraz Interferometr Virgo w pobliżu Pizy we Włoszech. Poprzednia analiza sugerowała, że ​​zmarszczki powstały w wyniku zderzeń między czarnymi dziurami o masie od 1,7 do 2,6 mas naszego Słońca i mniejszą gwiazdą neutronową lub znacznie większą czarną dziurą.

Ale to spowodowałoby, że jeden z obiektów w każdym zderzeniu byłby czymś, co astrofizycy nazywają czarną dziurą o masie słonecznej [solar-mass black holes], mniej więcej o masie Słońca.

“Czarne dziury o masach słonecznych są dość tajemnicze, ponieważ nie oczekuje się od nich konwencjonalnej astrofizyki”, takiej jak eksplozje gwiazd lub supernowe, które miażdżą większe gwiazdy w czarne dziury, powiedział główny autor badań, Volodymyr Takhistov z University of California, Los Angeles.

Zamiast tego autorzy proponują w badaniu, opublikowanym 16 lutego w czasopiśmie Physical Review Letters, że te czarne dziury o masach słonecznych mogą być „pierwotnymi” czarnymi dziurami powstałymi podczas Wielkiego Wybuchu. Albo mogły powstać później, kiedy gwiazdy neutronowe zostały transmutowane w czarne dziury – albo po połknięciu pierwotnych czarnych dziur, albo po wchłonięciu pewnych rodzajów ciemnej materii,  powiedział Takhistov.

Pierwotne czarne dziury

Pierwotne czarne dziury, jeśli istnieją, prawdopodobnie powstały w ogromnych ilościach w pierwszej sekundzie Wielkiego Wybuchu około 13,77 miliarda lat temu. Występowałby we wszystkich rozmiarach – najmniejsze byłyby mikroskopijne, a największe dziesiątki tysięcy razy większe od masy naszego Słońca .

Obliczenia pokazują, że najmniejsze już „wyparowały”, emitując cząstki kwantowe w procesie znanym jako promieniowanie Hawkinga, tak że nadal istniałyby tylko pierwotne czarne dziury o masach większych niż 10 ^ 11 kilogramów – mniej więcej o masie małej asteroidy.

Gdyby istniały, te starożytne czarne dziury mogłyby tworzyć ogromne halo „ciemnej materii” otaczającej galaktyki, myślą niektórzy astrofizycy.

Naukowcy chcieli się dowiedzieć, czy potrafią odróżnić pierwotne czarne dziury od czarnych dziur, które powstały z gwiazd neutronowych, błyszczących pozostałości supernowych pozostawionych po eksplozji ich gwiazd macierzystych po zużyciu całego wodoru w reakcjach syntezy jądrowej .

Astrofizycy obliczyli, że gwiazdy mniejsze niż około pięć mas Słońca zapadają się, pozostawiając po sobie gwiazdę neutronową o bardzo gęstej materii.

W tej teorii intensywna grawitacja niektórych gwiazd neutronowych stale przyciągałaby cząstki ciemnej materii; w końcu ich grawitacja stałaby się tak duża, że ​​gwiazda neutronowa i ciemna materia zapadłyby się razem w czarną dziurę, sugerują nowe badania.

Alternatywą zaproponowaną w badaniu jest to, że gwiazda neutronowa mogła przyciągać i łączyć się z małą pierwotną czarną dziurą, która następnie osiadła w środku ciężkości gwiazdy neutronowej i posilałaby się otaczającą materię, aż pozostałaby tylko czarna dziura.

Fale grawitacyjne

Takhistov i jego koledzy argumentowali, że czarne dziury transmutowane z gwiazd neutronowych musiałyby mieć taki sam rozkład masy jak gwiazdy neutronowe, z których powstały, co zależy od rozmiarów ich gwiazd macierzystych.

Biorąc to pod uwagę, przyjrzeli się danym z około 50 detekcji fal grawitacyjnych wykonanych do tej pory i stwierdzili, że tylko dwie – GW190425 i GW190814 – obejmowały obiekty o odpowiedniej masie, aby były pierwotnymi czarnymi dziurami – napisali autorzy badania.

Badania nie są rozstrzygające: nadal możliwe jest, że te dwa zderzenia dotyczyły gwiazd neutronowych o masach wykrytych lub czarnych dziur transmutowanych z gwiazd neutronowych. Jednak rozkład masy gwiazd neutronowych, które według teorii istnieją we Wszechświecie, sprawia, że ​​jest to mało prawdopodobne, napisali autorzy.

„Nasza praca stanowi zaawansowane badanie pozwalające zrozumieć ich pochodzenie i związek z ciemną materią” – powiedział Takhistov. „W szczególności badanie to pokazuje, że czarne dziury znacznie cięższe niż około 1,5 masy Słońca są bardzo mało prawdopodobne, aby były „transmutowanymi” czarnymi dziurami w wyniku zakłóceń w gwiazdach neutronowych.”

A jeśli tak jest, to sugeruje, że pierwotne czarne dziury mogą naprawdę istnieć i zgodnie z badaniami, mogą być składnikiem ciemnej materii.

Ta metoda stanie się dokładniejsza, gdy wykryjemy więcej fal grawitacyjnych, powiedział Takhistov: „Badanie miało charakter statystyczny, więc zebranie większej ilości danych pozwoli na lepsze zrozumienie”.

Źródło: Tom Metcalfe

Test for the Origin of Solar Mass Black Holes

Microscopic primordial black holes and extra dimensions

Massive Primordial Black Holes as Dark Matter and their detection with Gravitational Waves

Zdjęcie: Photo by Jørgen Rosvold

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