Badanie czarnych dziur, które mogły powstać we wczesnym Wszechświecie, zanim narodziły się gwiazdy i galaktyki, jest jednym z interdyscyplinarnych projektów prowadzonych w Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU). Takie pierwotne czarne dziury (PBH) mogą odpowiadać za całość lub część ciemnej materii, być odpowiedzialne za niektóre z obserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych i powodować powstawanie supermasywnych czarnych dziur w centrum naszej Galaktyki i innych galaktyk.
Mogą również odgrywać rolę w syntezie ciężkich pierwiastków, gdy zderzają się z gwiazdami neutronowymi i niszczą je, uwalniając materię bogatą w neutrony. W szczególności istnieje możliwość, że tajemnicza ciemna materia, która stanowi większość materii we Wszechświecie, składa się z pierwotnych czarnych dziur. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku została przyznana teoretykowi Rogerowi Penrose'owi oraz dwóm astronomom, Reinhardowi Genzelowi i Andrei Ghez, za ich odkrycia, które potwierdziły istnienie czarnych dziur. Czarne dziury są bardzo atrakcyjnym kandydatem na ciemną materię, bo ich istnienie jest potwierdzone.
Niedawny postęp w teorii fundamentalnej, astrofizyce i obserwacjach astronomicznych w poszukiwaniu pierwotnych czarnych dziur dokonał międzynarodowy zespół fizyków cząstek elementarnych, kosmologów i astronomów, w tym członkowie Kavli IPMU: Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada i Volodymyr Takhistov.
Aby dowiedzieć się więcej o pierwotnych czarnych dziurach, zespół badawczy przyjrzał się wczesnemu Wszechświatowi w poszukiwaniu wskazówek. Wczesny Wszechświat był tak gęsty, że każda dodatnia fluktuacja gęstości o ponad 50% mogłaby spowodować powstanie czarnej dziury. Jednak wiadomo, że kosmologiczne perturbacje, które „zasiały” galaktyki, są znacznie mniejsze. Niemniej jednak rozmaite procesy we wczesnym Wszechświecie mogły stworzyć odpowiednie warunki do powstania czarnych dziur.
Jedną z możliwości jest to, że pierwotne czarne dziury mogą powstawać z „dziecięcych Wszechświatów” powstałych podczas inflacji, okresu gwałtownej ekspansji, który, jak się uważa, jest odpowiedzialny za zasianie struktur obserwowanych dzisiaj, takich jak galaktyki i gromady galaktyk. Podczas inflacji młode Wszechświaty mogą rozgałęziać się od naszego Wszechświata. Młodziutki Wszechświat w końcu się zawali, ale duża ilość energii, uwolnionej w małej objętości, spowoduje powstanie czarnej dziury.
Jeszcze osobliwszy los czeka większy „dziecięcy Wszechświat”. Jeśli jego rozmiar przekracza pewien rozmiar krytyczny, teoria grawitacji Einsteina pozwala „dziecięcemu Wszechświatowi” istnieć w stanie, który wydaje się inny dla obserwatora wewnątrz i na zewnątrz. Wewnętrzny obserwator widzi go jako rozszerzający się, podczas gdy zewnętrzny obserwator (taki jak my) widzi go jako czarną dziurę. W obu przypadkach duży i mały „dziecięcy Wszechświat” są przez nas postrzegane jako pierwotne czarne dziury, które ukrywają podstawową strukturę wielu Wszechświatów za swoimi „horyzontami zdarzeń”. Horyzont zdarzeń to granica, poniżej której wszystko, nawet światło, jest uwięzione i nie może uciec z czarnej dziury.
W swoim artykule zespół opisał nowy scenariusz powstawania pierwotnych czarnych dziur i wykazał, że czarne dziury ze scenariusza „wieloświatów” można znaleźć za pomocą kamery Hyper Suprime-Cam (HSC) z 8,2-metrowego teleskopu Subaru, gigantycznej kamery cyfrowej (w zarządzaniu którą Kavli IPMU odegrał kluczową rolę) w pobliżu szczytu Mt. Mauna Kea na Hawajach. Ich praca jest ekscytującym przedłużeniem poszukiwań PBH przez HSC, które prowadzą Masahiro Takada, główny badacz z IPMU w Kavli, i jego zespół. Zespół HSC poinformował ostatnio o głównych ograniczeniach dotyczących istnienia pierwotnych czarnych dziur w „Nature Astronomy”.
Dlaczego HSC była niezbędna w tych badaniach? HSC ma szczególną możliwość zobrazowania całej galaktyki Andromedy co kilka minut. Jeśli czarna dziura przechodzi na tle jednej z gwiazd, grawitacja czarnej dziury zagina promienie świetlne i sprawia, że gwiazda wydaje się przez krótki okres czasu jaśniejsza niż wcześniej. Czas trwania rozjaśniania się gwiazdy jest związany z masą czarnej dziury. Dzięki obserwacjom HSC można jednocześnie obserwować sto milionów gwiazd, tworzących szeroką sieć dla pierwotnych czarnych dziur, które mogą przecinać jedną z linii wzroku.
Pierwsze obserwacje HSC zgłosiły już bardzo intrygujące zdarzenie potencjalnie pasujące do pierwotnej czarnej dziury z „wieloświata”, z masą czarnej dziury porównywalną z masą Księżyca. Obecnie zespół prowadzi dalsze obserwacje, aby rozszerzyć obszar poszukiwań i zbadać, czy scenariusz pierwotnych czarnych dziur z wieloświata może uwzględniać całą ciemną materię.
Źródło: Kavli IPMU
Więcej informacji:
Opracowanie: Gabriela Opiła
Grafika: gwiazda w galaktyce Andromedy chwilowo staje się jaśniejsza, gdy pierwotna czarna dziura przechodzi przed gwiazdą, skupiając jej światło (Kavli IPMU/HSC Collaboration).
