Nowe teorie fizyków z MIT wskazują, że najwyżej energetyczne neutrino zarejestrowane na Ziemi mogło pochodzić z dramatycznej eksplozji pierwotnej czarnej dziury w naszej Galaktyce. Jeśli się potwierdzą, będziemy mieć nie tylko dowód na istnienie promieniowania Hawkinga, ale i wskazówkę dotyczącą natury ciemnej materii.
Kilka miesięcy temu naukowcy z międzynarodowego projektu KM3NeT, prowadzącego obserwacje neutrinowych zjawisk na dnie Morza Śródziemnego, ogłosili wykrycie cząstki o niespotykanej dotąd energii — przekraczającej 100 peta-elektronowoltów (peta-eV). Neutrina, znane jako cząstki widmo ze względu na bardzo słabą interakcję z materią, uchodzą za fascynujące i trudne do badania składniki Wszechświata. Skąd mogła przybyć tak energetyczna cząstka?
Według najnowszych badań opublikowanych w Physical Review Letters, możliwą odpowiedzią są pierwotne czarne dziury, zwane też PBH (Primordial Black Holes). To obiekty, które powstały już w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu w miejscach o wyjątkowo dużej gęstości Wszechświata. Choć ich istnienie nie zostało dotąd potwierdzone, są jednym z głównych kandydatów na ciemną materię, czyli tajemniczą substancję składającą się na większość masy Wszechświata.
Kluczową właściwością czarnych dziur jest tzw. promieniowanie Hawkinga — hipoteza opracowana przez Stephena Hawkinga, według której czarne dziury emitują energię i bardzo powoli parują, tracąc masę. Im mniejsza czarna dziura, tym proces ten jest gwałtowniejszy i wiąże się z wydzielaniem wysokoenergetycznych cząstek, w tym neutrin. Najmniejsze PBH mogą eksplodować w widowiskowy sposób, a ostatni impuls energii tuż przed ich wyparowaniem generuje niemal niewyobrażalne ilości najpotężniejszych cząstek.
Badacze z MIT policzyli, że gdyby PBH stanowiły większość ciemnej materii w Drodze Mlecznej, to nawet w pobliżu naszego Układu Słonecznego co jakiś czas powinny zachodzić takie wybuchy. Z ich obliczeń wynika, że raz na około 14 lat wybuchająca PBH może być na tyle blisko Ziemi, aby jej ostatni głośny wydech Hawkinga został zarejestrowany w detektorze neutrin. Co więcej, taka eksplozja powinna generować nie tylko pojedyncze ultraenergetyczne neutrina, jak to wykryte przez KM3NeT, ale także całą falę podobnych cząstek, część z których mógł już uchwycić inny znany detektor – IceCube na Antarktydzie.
Łącząc dane z obu obserwatoriów, zespół MIT wykazał, że statystycznie możliwe jest pochodzenie zarówno historycznych, jak i najnowszych detekcji właśnie z eksplozji PBH w naszej Galaktyce. Sukces tego modelu zależy od kolejnych obserwacji, które mogłyby potwierdzić istnienie promieniowanie Hawkinga, a tym samym znaczenie pierwotnych czarnych dziur w kosmologii.
Jeśli hipoteza się sprawdzi, nauka stanie u progu rewolucji — odkrycie PBH jako głównego składnika ciemnej materii pozwoli rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki, a bezpośrednie potwierdzenie promieniowania Hawkinga przyniesie empiryczne wsparcie dla teorii kwantowej grawitacji.
Nowe pokolenie detektorów cząstek, coraz bardziej czułych i rozbudowanych, pozwoli w nadchodzących latach sprawdzić tę zaskakującą tezę. Może się zatem okazać, że najpotężniejsze cząstki docierające do Ziemi są cichymi sygnałami z krótkiej, gwałtownej śmierci najmniejszych czarnych dziur — reliktów początków Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Could a primordial black hole’s last burst explain a mysteriously energetic neutrino?
- Ultrahigh-Energy Neutrinos from Primordial Black Holes
Źródło: MIT
Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca niewielką czarną dziurę w naszej Galaktyce (w prawym górnym rogu), która może emitować strumień cząstek o wysokiej energii w wyniku promieniowania Hawkinga, z których część może zostać wykryta na Ziemi (w lewym dolnym rogu). Takie cząstki o ultra wysokiej energii mogą wyjaśniać rzadkie zjawiska związane z promieniowaniem kosmicznym, takie jak najwyższa energia neutrina, jaką kiedykolwiek wykryto. Źródło: Zdjęcie autorstwa Toby'ego Gleasona-Kaisera, przy użyciu SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC
