Egzotiškos juodosios skylės gali būti tamsiosios medžiagos šalutinis produktas | Ophthacare

Egzotiškos juodosios skylės gali būti tamsiosios medžiagos šalutinis produktas

Šis straipsnis buvo peržiūrėtas pagal Science X’s redakcinis procesas
ir politika.
Redaktoriai pabrėžė šias savybes ir kartu užtikrino turinio patikimumą:

patikrinta faktais

recenzuojamas leidinys

patikimas šaltinis

korektūros


Kreditas: AI sukurtas vaizdas

× Uždaryti


Kreditas: AI sukurtas vaizdas

Kiekvienam medžiagos kilogramui, kurį matome – nuo ​​kompiuterio ant stalo iki tolimų žvaigždžių ir galaktikų – mūsų aplinkoje yra 5 kilogramai nematomos medžiagos. Ši „tamsioji materija“ yra paslaptinga būtybė, kuri vengia visų tiesioginio stebėjimo formų, tačiau savo buvimą jaučia per nematomą matomų objektų traukimą.

Prieš penkiasdešimt metų fizikas Stephenas Hawkingas pasiūlė idėją, kas galėtų būti tamsioji materija: juodųjų skylių populiacija, kuri galėjo susidaryti labai greitai po Didžiojo sprogimo.

Tokios „pirminės“ juodosios skylės būtų buvę ne tie goliatai, kuriuos aptinkame šiandien, o mikroskopiniai itin tankios medžiagos regionai, kurie būtų susiformavę per pirmąją sekundės kvintilijonąją dalį po Didžiojo sprogimo, o paskui sugriuvę ir pasklidę po kosmosą ir užsitęsę. supančios erdvės laiką tokiais būdais, kurie galėtų paaiškinti tamsiąją materiją, kurią šiandien žinome.

Dabar MIT fizikai išsiaiškino, kad šis pirmapradis procesas taip pat būtų sukūręs keletą netikėtų kompanionų: dar mažesnes juodąsias skyles, turinčias precedento neturintį kiekį branduolinės fizinės savybės, žinomos kaip „spalvinis krūvis“.

Šios mažiausios, „perkrautos“ juodosios skylės būtų buvusios visiškai nauja materijos būsena, kuri greičiausiai išgaravo sekundės dalį po to, kai jos atsirado. Tačiau jie vis tiek galėjo turėti įtakos svarbiam kosmologiniam perėjimui: laikui, kai susiformavo pirmieji atomo branduoliai.

Fizikai teigia, kad įkrautos juodosios skylės galėjo paveikti susiliejančių branduolių pusiausvyrą tokiu būdu, kurį astronomai vieną dieną sužinos atlikdami būsimus matavimus. Toks stebėjimas įtikinamai parodytų pirmykštes juodąsias skyles kaip visų tamsiosios materijos šaknis šiandien.

„Nors šių trumpaamžių egzotiškų būtybių šiandien nėra, jos galėjo paveikti kosminę istoriją taip, kad šiandien galėtų pasirodyti subtiliais signalais“, – sakė Davidas Kaiseris, Germeshauseno mokslo istorijos profesorius ir MIT fizikos profesorius. „Manant, kad visa tamsioji medžiaga gali būti paaiškinta juodosiomis skylėmis, tai suteikia mums naujų dalykų, kurių reikia ieškoti.

Kaiseris ir jo bendraautorius, MIT absolventas Elba Alonso-Monsalve, turi paskelbta jų tyrimas žurnale Fizinės apžvalgos laiškai.

Laikas prieš žvaigždes

Juodosios skylės, kurias žinome ir atrandame šiandien, yra žvaigždžių griūties rezultatas, kai didžiulės žvaigždės centras griūva pats, sudarydamas tokį tankų regioną, kad gali išlenkti erdvėlaikį, kad viskas, net šviesa, įstrigtų. in . Tokios „astrofizinės“ juodosios skylės gali būti nuo kelių kartų masyvesnės už Saulę iki milijardų kartų masyvesnės.

Kita vertus, „pirminės“ juodosios skylės gali būti daug mažesnės ir, kaip manoma, susiformavo prieš žvaigždes. Dar prieš visatai paruošus pagrindinius elementus, jau nekalbant apie žvaigždes, mokslininkai mano, kad itin tankios, pirmapradės materijos kišenės galėjo susikaupti ir subyrėti, sudarydamos mikroskopines juodąsias skyles, kurios galėjo būti tokios tankios, kad išspaudė asteroido masę. plotas toks mažas kaip vienas atomas. Šių mažų, nematomų objektų, išsibarsčiusių visoje visatoje, gravitacija gali paaiškinti visą tamsiąją medžiagą, kurios šiandien nematome.

Jei taip, iš ko būtų padarytos šios pirmapradės juodosios skylės? Kaiser ir Alonso-Monsalve šį klausimą išsprendė savo nauju tyrimu.

„Žmonės tyrinėjo, koks būtų juodųjų skylių masių pasiskirstymas ankstyvosios visatos kūrimo metu, bet niekada nesusiejo su tuo, kokios medžiagos būtų papuolusios į juodąsias skyles tuo metu, kai jos susiformavo“, – aiškina Kaiseris.

Super įkrauti raganosiai

MIT fizikai pirmiausia išnagrinėjo esamas teorijas dėl galimo juodųjų skylių masių pasiskirstymo, kai jos pirmą kartą susiformavo ankstyvojoje visatoje.

„Mūsų supratimas buvo toks, kad yra tiesioginis ryšys tarp to, kada susidaro pirminė juodoji skylė, ir su kokia mase ji susidaro“, – sako Alonso-Monsalve. “Ir tas laiko langas yra absurdiškai ankstyvas.”

Ji ir Kaiseris apskaičiavo, kad pirminės juodosios skylės turėjo susiformuoti per pirmąją sekundės kvintilijonąją dalį po Didžiojo sprogimo. Šis laiko sprogimas būtų sukūręs „tipiškas“ mikroskopines juodąsias skyles, masyvias kaip asteroidas ir mažas kaip atomas. Taip pat būtų gauta nedidelė dalis eksponentiškai mažesnių juodųjų skylių, kurių masė būtų raganosio, o dydis būtų daug mažesnis nei vieno protono.

Iš ko būtų padarytos šios pirmapradės juodosios skylės? Tam jie ieškojo tyrimų, nagrinėjančių ankstyvosios visatos sudėtį, o konkrečiai – į kvantinės chromodinamikos (QCD) teoriją – kvarkų ir gliuonų sąveikos tyrimą.

Kvarkai ir gliuonai yra pagrindiniai protonų ir neutronų blokai – elementariosios dalelės, kurios kartu sukuria pagrindinius periodinės lentelės elementus. Iškart po Didžiojo sprogimo, fizikai, remdamiesi QCD, apskaičiavo, kad visata buvo nepaprastai karšta kvarkų ir gliuonų plazma, kuri vėliau greitai atvėso ir susijungė, kad susidarytų protonai ir neutronai.

Tyrėjai išsiaiškino, kad per pirmąją sekundės kvintilijonąją dalį visata vis tiek būtų buvusi laisvų kvarkų ir gliuonų sriuba, kurie dar nebuvo susijungę. Bet kokios juodosios skylės, susidariusios per tą laiką, būtų prarijusios nesusijungusias daleles kartu su egzotiška savybe, vadinama „spalvos krūviu“ – įkrovos būsena, kurią turi tik nesusiję kvarkai ir gliuonai.

„Kai nustatėme, kad šios juodosios skylės susidaro kvarko-gliuono plazmoje, svarbiausias dalykas, kurį turėjome išsiaiškinti, buvo tai, kiek spalvos krūvio yra medžiagos dėmėje, kuri atsidurs pirminėje juodojoje skylėje? sako Alonso-Monsalve.

Naudodami QCD teoriją, jie nustatė spalvų krūvio pasiskirstymą, kuris turėjo egzistuoti karštoje ankstyvoje plazmoje. Tada jie palygino jį su ploto dydžiu, kuris sugrius ir susidarytų juodoji skylė per pirmąją sekundės kvintilijonąją dalį. Pasirodo, tuo metu daugumoje tipiškų juodųjų skylių spalvinio krūvio nebūtų buvę daug, nes jos būtų susidariusios sugerdamos daugybę regionų, turinčių krūvių mišinį, kuris ilgainiui būtų pasiekęs „neutralų“. “ mokestis.

Tačiau mažiausios juodosios skylės būtų užpildytos spalvos užtaisu. Tiesą sakant, pagal pagrindinius fizikos dėsnius juose būtų buvęs didžiausias bet kokio tipo įkrovimo kiekis, leistinas juodajai skylei. Nors apie tokias „ekstremalias“ juodąsias skyles buvo keliamos hipotezės dešimtmečius, iki šiol niekas nebuvo atradęs tikroviško proceso, kurio metu tokios keistenybės iš tikrųjų galėjo susiformuoti mūsų visatoje.

Pripildytos juodosios skylės būtų greitai išgaravusios, bet galbūt tik po to, kai pradėjo formuotis pirmieji atomo branduoliai. Mokslininkai apskaičiavo, kad šis procesas prasidėjo praėjus maždaug sekundei po Didžiojo sprogimo, dėl kurio ekstremalioms juodosioms skylėms būtų buvę daug laiko sutrikdyti pusiausvyros sąlygas, kurios būtų vyravusios pradėjus formuotis pirmiesiems branduoliams. Tokie sutrikimai gali turėti įtakos ankstyviausių branduolių formavimuisi taip, kaip vieną dieną bus galima pastebėti.

„Šie objektai galėjo palikti įdomių stebėjimo pėdsakų“, – mano Alonso-Monsalve. “Jie galėjo pakeisti šio ir kito pusiausvyrą, ir tai yra dalykas, apie kurį pradedate stebėtis.”

Daugiau informacijos:
Elba Alonso-Monsalve ir kt., Pirminės juodosios skylės su QCD spalvos įkrovimu, Fizinės apžvalgos laiškai (2024). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.231402. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.132.231402

Žurnalo informacija:
Fizinės apžvalgos laiškai


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *