Als het gaat om het vermoeden dat oorspronkelijke zwarte gaten donkere materie zijn, staat hun excuus misschien op het punt uiteen te vallen. Kleine zwarte gaten, die enkele seconden na de geboorte van het universum ontstonden, kunnen langer blijven bestaan dan verwacht, wat nieuwe vermoedens doet rijzen dat oorspronkelijke zwarte gaten verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor donkere materie, de meest mysterieuze materie in het universum.
Donkere materie vertegenwoordigt momenteel een van de meest urgente problemen in de natuurkunde. Dit komt omdat, hoewel het naar schatting 85% van de materie in het universum uitmaakt, donkere materie onzichtbaar blijft voor onze ogen omdat het geen interactie heeft met licht.
Omdat de deeltjes waaruit de atomen bestaan waaruit de ‘gewone’ objecten bestaan die we kunnen zien, zoals sterren, planeten en ons eigen lichaam, duidelijk een wisselwerking hebben met licht, heeft dit geleid tot een zoektocht naar donkere materiedeeltjes die buiten het standaard deeltjesmodel vallen. natuurkunde. Veel wetenschappers geloven dat het antwoord nog steeds in het Standaardmodel ligt, maar als we naar een kleinere neef van kosmische objecten kijken, zien we ze meestal als extreem massief, zelfs monsterlijk: zwarte gaten.
Verwant: Een nieuwe kijk op het superzware zwarte gat in het hart van de Melkweg duidt op een opwindend verborgen kenmerk (afbeelding)
Wetenschapper van het Max Planck Instituut Valentin Thos En Anna Fernandez Alexander Van de Universiteit van Lissabon hebben onlangs twee onderzoekers aan dergelijke onderzoeken deelgenomen. Ze veronderstellen dat kleine zwarte gaten die meer dan 13,8 miljard jaar geleden, onmiddellijk na de oerknal, ontstonden en niet groter zijn dan een proton, zouden kunnen zijn samengesmolten tot vermoedens van donkere materie zonder dat er nieuwe natuurkunde nodig was.
Niet alleen heeft de recente verandering in het denken over hoe zwarte gaten ‘verdampten’ geleid tot een herbeoordeling van de levensvatbaarheid van oorspronkelijke zwarte gaten, aangezien donkere materie wordt vermoed, maar omdat de zoektocht naar donkere materiedeeltjes nog steeds grotendeels blanco blijft, zou deze kunnen beginnen Steeds meer onderzoekers kijken serieuzer naar de theorie van de oorspronkelijke zwarte gaten.
Wat zijn oorspronkelijke zwarte gaten?
“Zoals de naam al doet vermoeden, zijn oorspronkelijke zwarte gaten een soort zwart gat dat zich aan het begin van het universum heeft gevormd”, vertelde Thos aan Space.com. ‘Eigenlijk binnen de eerste fractie van een seconde van het heelal.’
Hij legde uit dat alle structuren die we in het heelal waarnemen, van superclusters van sterrenstelsels tot sterrenstelsels in zichzelf, worden gevormd door lichte overmatige dichtheden in de ruimte die aanwezig waren tijdens het begin van het heelal. Als het vroege heelal dichtheidsfluctuaties had ervaren die veel sterker waren dan de fluctuaties die deze kenmerken creëerden, en deze fluctuaties eerder waren ingestort dan de sterrenstelsels zich feitelijk vormden, hadden die extreem dichte plekken primordiale zwarte gaten kunnen stimuleren.
Afhankelijk van het moment waarop deze ineenstorting plaatsvond en de omvang van de ineenstorting, zullen deze oorspronkelijke zwarte gaten heel verschillende massa’s hebben, voegde Thos eraan toe. De oorspronkelijke zwarte gaten die Thos en Fernandez-Alexander beschouwen als mogelijke kandidaten voor donkere materie zouden massa’s hebben tussen enkele tonnen en duizend ton, om precies te zijn, wat minder is dan de massa van een planeet en meer in de categorie van een kleine. asteroïde.
Gegeven het feit dat de kleinste zwarte gaten die wetenschappers tot nu toe hebben ontdekt, bekend als zwarte gaten met stellaire massa, een massa hebben die gelijk is aan tussen de 3 en 50 keer de massa van de zon – die zelf 2,2 keer 10 tot de 27e macht is (22 gevolgd door 26). ). (Nullen) ton – Deze oorspronkelijke zwarte gaten zijn ongelooflijk klein.
Net als hun grotere tegenhangers van zwarte gaten, die zijn ontstaan door het instorten van massieve sterren of door het samensmelten van relatief kleinere zwarte gaten, zouden primordiale zwarte gaten volgens Fernandez-Alexander een lichtvangende buitengrens hebben die een gebeurtenishorizon wordt genoemd. De diameter van deze horizon wordt bepaald door de massa van het zwarte gat, wat betekent dat de waarnemingshorizon in die gevallen ongelooflijk klein zou zijn. “Kleiner dan de straal van een proton,” zei Fernandez-Alexander.
Kleine oorspronkelijke zwarte gaten werden voorheen uitgesloten als kandidaten voor donkere materie, omdat men denkt dat alle zwarte gaten een soort thermische straling ‘lekken’ die voor het eerst werd verondersteld door Stephen Hawking in 1974 en later ‘Hawking-straling’ werd genoemd.
Hoe kleiner het zwarte gat, hoe sneller de Hawking-straling kan ontsnappen en dus hoe sneller deze moet verdampen. Dit betekent dat als er überhaupt oorspronkelijke zwarte gaten zouden bestaan, de kleinste voorbeelden vandaag de dag niet zouden mogen bestaan, maar dat donkere materie dat duidelijk wel doet.
‘Oer-zwarte gaten met de massa’s die Anna en ik nu bestuderen, werden voorheen als onwaarschijnlijk beschouwd, omdat werd aangenomen dat ze tegen die tijd in het universum volledig waren verdampt’, zegt Thos.
Recent werk van György Dvali, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van München die samenwerkte met Thos en Fernandez-Alexander, heeft echter gesuggereerd dat het verdampingsproces op een gegeven moment mislukt. Dit betekent dat oorspronkelijke zwarte gaten met de door wetenschappers beschouwde massa's een quasi-stabiele toestand zouden kunnen bereiken.
“Om zijn massa te verminderen door Hawking-straling uit te zenden, moet het zwarte gat zijn informatie herschrijven, of iets anders. En dit herschrijfproces kost tijd”, legt Fernandez-Alexander uit. “Dit wordt 'geheugenlast' genoemd omdat die herinnering nu naar iets anders moet gaan, en dit vertraagt het algehele verdampingsproces. Het is dus een soort stabilisatie.”
Dit ‘reddingsmechanisme’ betekent dat oorspronkelijke zwarte gaten terug zijn als potentiële kandidaten voor donkere materie!
Een dode letter voor donkere materie?
Het feit dat er tegenwoordig primordiale zwarte gaten in het universum bestaan, betekent echter niet meteen dat ze als verdachten van donkere materie moeten worden beschouwd. Er zijn zelfs nog andere redenen om deze kleine hypothetische zwarte gaten in verband te brengen met de mysterieuze materie-inhoud van het universum.
Misschien wel het meest voor de hand liggende verband is dat donkere materie geen interactie heeft met licht. Donkere materie zendt of reflecteert geen licht, en de waarnemingshorizon die aan alle zwarte gaten grenst, markeert het punt waarop de ontsnappingssnelheid die nodig is om over te steken de snelheid van het licht overschrijdt. Dit betekent dat oorspronkelijke zwarte gaten al het invallende licht zouden 'vangen', wat resulteert in een schijnbaar gebrek aan interacties.
“Als ze licht genoeg zijn, gedragen primordiale zwarte gaten zich ergens rond een planetaire massa als donkere materiedeeltjes voor alle doeleinden die ons interesseren,” zei Thos. “Donkere materie is in de standaardmodellen ‘botsingsloos’, dus deeltjes van donkere materie hebben geen zodanige interactie met elkaar dat ze het universum beïnvloeden.”
Hij voegde eraan toe dat als oorspronkelijke zwarte gaten lichter zouden zijn dan de massa van planeten, ze zelfs op kosmische tijdschalen zo klein zouden zijn dat ze zelden zouden botsen. Deze oorspronkelijke zwarte gaten zouden samen de zwaartekrachtseffecten kunnen creëren die we momenteel aan donkere materie toeschrijven, zoals het verschaffen van een zwaartekrachtsinvloed die voorkomt dat snel roterende sterrenstelsels worden weggeblazen.
Maar als oorspronkelijke zwarte gaten zich zouden moeten samenvoegen om rekening te houden met de effecten van donkere materie, wat zou dan verhinderen dat deze zwarte gaten zich verzamelen en samensmelten om grotere zwarte gaten te vormen? Zou een stel kleine zwarte gaten uiteindelijk niet gewoon een superzwaar zwart gat worden? Dit is onderzocht en het antwoord is eenvoudigweg: “Nee”, zei Thos.
‘Zelfs als je rekening houdt met klontering, zijn de tijdschalen van de samensmelting zo lang dat ze gedurende de hele levensduur van het universum alleen maar zouden samensmelten tot zeer massieve zwarte gaten,’ vervolgde hij.
Thos voegde eraan toe dat het mooie van het gebruik van oorspronkelijke zwarte gaten als verklaring voor donkere materie is dat, in tegenstelling tot het voorstellen van een hypothetisch deeltje zoals de as om de puzzel uit te leggen, oorspronkelijke zwarte gaten geen uitbreiding van het standaardmodel van de deeltjesfysica vereisen. Onze beste verklaring van het universum vindt plaats op subatomaire schaal.
Het zou echter heel moeilijk zijn om te bevestigen dat oorspronkelijke zwarte gaten donkere materie zijn, als ze dit fenomeen inderdaad verklaren. Nogmaals, hun lichtvangende aard betekent dat ze feitelijk onzichtbaar zijn. Bovendien hebben ze bij zulke kleine afmetingen niet dezelfde enorme zwaartekrachteffecten als hun stellaire en superzware broers.
Zelfs als er dan een groep oorspronkelijke zwarte gaten zou worden ontdekt, is er geen echte manier om het verschil te zien tussen een heleboel kleine zwarte gaten en één groot zwart gat.
Ondanks deze moeilijkheid zijn Thos en Fernandez-Alexander van plan om aan het uiteinde van de oorspronkelijke zwarte gaten te blijven – althans in theorie. Als kandidaten voor donkere materie nog steeds niet opduiken, is het antwoord misschien dat meer natuurkundigen zich gaan verdiepen in het metaforische hek tussen deeltjesfysica en kosmologie.
“Ik kan niet zeggen dat oorspronkelijke zwarte gaten ooit zijn uitgesloten als kandidaten voor donkere materie, maar ze worden al een tijdje genegeerd”, zegt Fernandez-Alexander. “Nu we nog geen echte detectie hebben van donkere materie in deeltjes, denk ik dat het steeds passender wordt om deze optie te overwegen.”
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
