Na każdy kilogram materii, którą widzimy – od komputera na biurku po odległe gwiazdy i galaktyki – przypada 5 kilogramów niewidzialnej materii, która wypełnia nasze otoczenie. Ta „ciemna materia” to tajemnicza istota, która wymyka się wszelkim formom bezpośredniej obserwacji, a mimo to daje o sobie znać poprzez niewidzialne przyciąganie widocznych obiektów.
Pięćdziesiąt lat temu fizyk Stephen Hawking zaproponował jeden pomysł na to, czym może być ciemna materia: populacja czarnych dziur, które mogły powstać wkrótce po Wielkim Wybuchu. Takimi „pierwotnymi” czarnymi dziurami nie byłyby goliaty, które dzisiaj odkrywamy, ale raczej mikroskopijne obszary ultragęstej materii, które powstałyby w ciągu pierwszej trylionowej sekundy po Wielkim Wybuchu, a następnie zapadłyby się i rozproszyły po kosmosie, ciągnąc dalej otaczającą czasoprzestrzeń w sposób, który mógłby wyjaśnić ciemną materię, którą znamy dzisiaj.
Teraz fizycy z MIT odkryli, że ten pierwotny proces również wytworzył kilku nieoczekiwanych towarzyszy: jeszcze mniejsze czarne dziury o niespotykanych dotąd właściwościach fizyki jądrowej, znanych jako „ładunek barwny”.
Te najmniejsze, „super naładowane” czarne dziury byłyby zupełnie nowym stanem materii, który prawdopodobnie wyparował ułamek sekundy po ich powstaniu. Jednak nadal mogły mieć wpływ na kluczową przemianę kosmologiczną: czas powstania pierwszych jąder atomowych. Fizycy postulują, że naładowane kolorami czarne dziury mogły wpłynąć na równowagę łączących się jąder w sposób, który astronomowie mogą pewnego dnia wykryć w przyszłych pomiarach. Taka obserwacja w przekonujący sposób wskazywałaby na pierwotne czarne dziury jako źródło całej dzisiejszej ciemnej materii.
„Mimo że tych krótkotrwałych, egzotycznych stworzeń nie ma dziś w pobliżu, mogły one wpłynąć na historię kosmosu w sposób, który dzisiaj może być widoczny w subtelnych sygnałach” – mówi David Kaiser, profesor historii nauki w Germeshausen i profesor fizyki na Uniwersytecie MIT. „W ramach pomysłu, że całą ciemną materię można przypisać czarnym dziurom, daje nam to nowe rzeczy do poszukiwania”.
Kaiser i jego współautorka, absolwentka MIT Elba Alonso-Monsalve, opublikowali dzisiaj swoje badanie w czasopiśmie Physical Review Letters.
Czas przed gwiazdami
Czarne dziury, które znamy i wykrywamy dzisiaj, są produktem zapadania się gwiazd, kiedy centrum masywnej gwiazdy zapada się w sobie, tworząc obszar tak gęsty, że może zagiąć czasoprzestrzeń w taki sposób, że wszystko – nawet światło – staje się uwięziony w środku. Takie „astrofizyczne” czarne dziury mogą mieć masę od kilku razy masywniejszą od Słońca aż do wielu miliardów razy masywniejszych.
Natomiast „pierwotne” czarne dziury mogą być znacznie mniejsze i uważa się, że powstały w czasie poprzedzającym powstanie gwiazd. Zanim Wszechświat wytworzył podstawowe pierwiastki, nie mówiąc już o gwiazdach, naukowcy uważają, że kieszenie ultragęstej, pierwotnej materii mogły zgromadzić się i zapaść, tworząc mikroskopijne czarne dziury, które mogły być tak gęste, że mogłyby wcisnąć masę asteroidy w obszar tak mały jak pojedynczy atom. Przyciąganie grawitacyjne tych maleńkich, niewidzialnych obiektów rozproszonych po całym wszechświecie może wyjaśnić całą ciemną materię, której dzisiaj nie możemy zobaczyć.
Gdyby tak było, to z czego zostałyby zbudowane te pierwotne czarne dziury? To pytanie zadali sobie Kaiser i Alonso-Monsalve w swoim nowym badaniu.
„Ludzie badali, jaki byłby rozkład mas czarnych dziur podczas powstawania wszechświata na początku wszechświata, ale nigdy nie powiązali tego z rodzajem materii, która wpadłaby do tych czarnych dziur w czasie ich formowania” – wyjaśnia Kaiser.
Super naładowane nosorożce
Fizycy z MIT najpierw przejrzeli istniejące teorie dotyczące prawdopodobnego rozkładu mas czarnych dziur w momencie ich powstawania we wczesnym wszechświecie.
„Uświadomiliśmy sobie, że istnieje bezpośrednia korelacja pomiędzy momentem powstania pierwotnej czarnej dziury a jej masą” – mówi Alonso-Monsalve. „A to okno czasowe jest absurdalnie wczesne”.
Ona i Kaiser obliczyli, że pierwotne czarne dziury musiały powstać w ciągu pierwszej trylionowej sekundy po Wielkim Wybuchu. W tym błysku czasu powstałyby „typowe” mikroskopijne czarne dziury, które były masywne jak asteroida i małe jak atom. Dałoby to również niewielki ułamek wykładniczo mniejszych czarnych dziur o masie nosorożca i rozmiarze znacznie mniejszym niż pojedynczy proton.
Z czego powstały te pierwotne czarne dziury? W tym celu wykorzystali badania dotyczące składu wczesnego Wszechświata, a w szczególności teorię chromodynamiki kwantowej (QCD), czyli badanie interakcji kwarków i gluonów.
Kwarki i gluony to podstawowe elementy budulcowe protonów i neutronów – cząstek elementarnych, które po połączeniu utworzyły podstawowe elementy układu okresowego. Zaraz po Wielkim Wybuchu fizycy szacują na podstawie QCD, że Wszechświat był niezwykle gorącą plazmą złożoną z kwarków i gluonów, które następnie szybko ochładzały się i łączyły, tworząc protony i neutrony.
Naukowcy odkryli, że w ciągu pierwszej trylionowej sekundy Wszechświat nadal byłby zupą wolnych kwarków i gluonów, które jeszcze się nie połączyły. Wszelkie czarne dziury, które powstały w tym czasie, pochłonęłyby niezwiązane cząstki, wraz z egzotyczną właściwością znaną jako „ładunek kolorowy” – stan naładowania, który przenoszą tylko niezwiązane kwarki i gluony.
„Kiedy już odkryliśmy, że te czarne dziury powstają w plazmie kwarkowo-gluonowej, najważniejszą rzeczą, jaką musieliśmy ustalić, było to, ile ładunku kolorowego zawiera się w plamie materii, która trafi do pierwotnej czarnej dziury?” – mówi Alonso-Monsalve.
Korzystając z teorii QCD, ustalili rozkład ładunku barwnego, który powinien istnieć w gorącej, wczesnej plazmie. Następnie porównali to z rozmiarem obszaru, który zapadłby się, tworząc czarną dziurę w ciągu pierwszej trylionowej sekundy. Okazuje się, że w tamtym czasie w większości typowych czarnych dziur nie było zbyt wiele ładunków kolorowych, ponieważ powstały one w wyniku absorpcji ogromnej liczby obszarów zawierających mieszankę ładunków, co ostatecznie dałoby „neutralny” ” opłata.
Ale najmniejsze czarne dziury byłyby wypełnione kolorowym ładunkiem. W rzeczywistości zawierałyby maksymalną ilość dowolnego rodzaju ładunku dozwoloną dla czarnej dziury, zgodnie z podstawowymi prawami fizyki. Chociaż hipotezy o istnieniu takich „ekstremalnych” czarnych dziur pojawiały się od dziesięcioleci, aż do teraz nikt nie odkrył realistycznego procesu, w wyniku którego tego rodzaju osobliwości mogły faktycznie powstać w naszym wszechświecie.
Super naładowane czarne dziury szybko wyparowałyby, ale prawdopodobnie dopiero po rozpoczęciu formowania się pierwszych jąder atomowych. Naukowcy szacują, że proces ten rozpoczął się około jednej sekundy po Wielkim Wybuchu, co dałoby ekstremalnym czarnym dziurom mnóstwo czasu na zakłócenie warunków równowagi, które panowały, gdy zaczęły się formować pierwsze jądra. Takie zaburzenia mogą potencjalnie wpływać na sposób powstawania tych najwcześniejszych jąder w sposób, który pewnego dnia będzie można zaobserwować.
„Te obiekty mogły pozostawić fascynujące ślady obserwacyjne” – zastanawia się Alonso-Monsalve. „Mogli zmienić równowagę między tym a tamtym i właśnie nad tym można się zastanawiać”.