Az MIT fizikusai a sötét anyagot “túltöltött” mikroszkopikus fekete lyukakkal kapcsolják össze | EatchbQ

SciTechDaily

Egy ősfekete lyuk ábrázolása, amely forró, színes kvarkok és gluonok tengerében képződik, a másodperc töredékével az Ősrobbanás után. Köszönetnyilvánítás: Kaća Bradonjić

Az univerzumban a másodperc első kvintilliodrészében mikroszkopikus fekete lyukak sarjadhattak ki óriási mennyiségű atomi töltéssel. AZ ÉN fizikusok.

Az MIT kutatói azt sugallják, hogy az ősi fekete lyukak, valószínűleg a sötét anyag egy formája, az első pillanatokban keletkezhettek Nagy durranás és magas szinten hordozott egy színtöltésként ismert nukleáris tulajdonságot. Ezek a feltöltött fekete lyukak rövid létezésük ellenére befolyásolhatták a korai univerzum kozmológiáját, és megmagyarázhattak néhány ma megfigyelt csillagászati ​​jelenséget.

Sötét anyag és ősfekete lyukak

Minden kiló anyaghoz, amit csak láthatunk – a kezünkben lévő telefontól a távoli csillagokig és galaxisokig – 5 kiló láthatatlan anyag jut a környezetünkbe. Ez a „sötét anyag” egy titokzatos entitás, amely elkerüli a közvetlen megfigyelés minden formáját, mégis érezhetővé teszi jelenlétét a látható objektumok láthatatlan vonzásával.

Ötven évvel ezelőtt Stephen Hawking fizikus javaslatot tett arra, hogy mi lehet a sötét anyag: egy fekete lyukak populációja, amely nagyon röviddel az Ősrobbanás után keletkezhetett. Ilyen „ős” fekete lyukak nem azok a góliátok lettek volna, amelyeket ma észlelünk, hanem az ultrasűrű anyag mikroszkopikus régiói, amelyek az Ősrobbanás utáni másodperc első ötödrészében alakultak volna ki, majd összeomlottak, szétterjedtek a kozmoszban, és a környező téridőbe húzódtak volna. hogyan magyarázhatja a ma ismert sötét anyagot.

Felfedjük a feltöltött fekete lyukakat

Az MIT fizikusai most arra a következtetésre jutottak, hogy ez az ősfolyamat váratlan társakat is hozott volna: még kisebb fekete lyukakat is, amelyek példátlan mennyiségű magfizikai tulajdonsággal rendelkeznek, amelyet “színtöltésnek” neveznek.

Ezek a legkisebb, „túltöltött” fekete lyukak egy teljesen új halmazállapotot jelentettek volna, amely valószínűleg egy másodperc töredéke elpárolog az ívásuk után. Mégis befolyásolhattak volna egy fontos kozmológiai átmenetet: azt az időt, amikor az első atommagok megkovácsolódtak. A fizikusok azt feltételezik, hogy a töltött fekete lyukak befolyásolhatták az egyesülő atommagok közötti egyensúlyt, oly módon, hogy a csillagászok egy napon majd felfedezik a jövőbeli mérésekkel. Egy ilyen megfigyelés meggyőzően rámutat arra, hogy az ősfekete lyukak ma minden sötét anyag gyökerei.

“Bár ezek a rövid életű, egzotikus lények ma már nem léteznek, olyan módon befolyásolhatták a kozmikus történelmet, amely ma is finom jelekben jelenhet meg” – mondta David Kaiser, a germeshauseni tudománytörténet professzora és az MIT fizika professzora. “Az a gondolat, hogy minden sötét anyag magyarázható fekete lyukakkal, ez új dolgokat ad nekünk, amelyeket keresnünk kell.”

Kaiser és társszerzője, az MIT végzős hallgatója, Elba Alonso-Monsalve június 6-án publikálták tanulmányukat a folyóiratban. Fizikai áttekintő levelek.

A csillagok előtti idő

A fekete lyukak, amelyeket ma ismerünk és fedezünk fel, a csillagok összeomlásából származnak, amikor egy hatalmas csillag középpontja önmagába omlik, és olyan sűrű tartományt képez, hogy képes meghajlítani a téridőt, így minden – még a fény is – csapdába esik. ban ben . Az ilyen “aszsztrofizikai” fekete lyukak a Napnál néhányszor nagyobb tömegtől a sok milliárdszor nagyobb tömegig terjedhetnek.

Az „ős” fekete lyukak viszont sokkal kisebbek lehetnek, és úgy gondolják, hogy a csillagok előtti időben keletkeztek. Mielőtt az univerzum elkészítette volna az alapelemeket, a csillagokról nem is beszélve, a tudósok úgy vélik, hogy az ultrasűrű, ősanyag zsebei felhalmozódhattak és összeomlhattak, és mikroszkopikus fekete lyukakat képezhettek, amelyek olyan sűrűek lehettek, hogy egy aszteroida tömegét belenyomták. egy olyan kis régió, mint egyetlen atom. Az univerzumban szétszórt kis, láthatatlan tárgyak gravitációja megmagyarázhatja mindazt a sötét anyagot, amelyet ma nem látunk.

Ha igen, miből készülnének ezek az ősi fekete lyukak? Kaiser és Alonso-Monsalve ezzel a kérdéssel foglalkozott új tanulmányukkal.

“Az emberek azt vizsgálták, hogy mi az elosztása fekete lyuk A korai univerzum-előállítás során tömegek voltak, de soha nem kötötték össze, hogy milyen dolgok estek volna a fekete lyukakba, amikor kialakultak” – magyarázza Kaiser.

Szuper töltött orrszarvúk

Az MIT fizikusai először megvizsgálták a létező elméleteket a fekete lyukak tömegének valószínű eloszlására, amikor először keletkeztek a korai univerzumban.

“Az volt a felismerésünk, hogy közvetlen összefüggés van aközött, hogy mikor keletkezik egy ősfekete lyuk, és milyen tömeggel képződik” – mondja Alonso-Monsalve. – És ez az időablak abszurd korai.

Ő és Kaiser kiszámították, hogy az ősfekete lyukak az Ősrobbanás utáni másodperc első kvintilliód része alatt keletkeztek. Ez az időkitörés “tipikus” mikroszkopikus fekete lyukakat hozott volna létre, amelyek olyan masszívak, mint egy aszteroida, és olyan kicsik, mint egy atom. Emellett exponenciálisan kisebb fekete lyukak töredékét is eredményezte volna, amelyek tömege egy orrszarvú, és mérete sokkal kisebb, mint egyetlen proton.

Miből készülnének ezek az ősi fekete lyukak? Ehhez olyan tanulmányokat kerestek, amelyek a korai univerzum összetételét vizsgálják, és különösen a kvantumkromodinamika (QCD) elméletét – a kvarkok és a gluonok kölcsönhatásának tanulmányozását.

Kvantumdinamika és fekete lyukak kialakulása

A kvarkok és a gluonok a protonok és neutronok alapvető építőkövei – olyan elemi részecskék, amelyek egyesülve hozták létre a periódusos rendszer alapvető elemeit. Közvetlenül az ősrobbanás után a fizikusok a QCD alapján úgy becsülik, hogy az univerzum rendkívül forró volt. vérplazma kvarkokból és gluonokból, amelyek aztán gyorsan lehűlnek, és protonokat és neutronokat képezve egyesültek.

A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a másodperc első kvintilliód része alatt az univerzum még mindig nem egyesült szabad kvarkok és gluonok levese lett volna. Bármilyen fekete lyuk, amely ezalatt keletkezett, elnyelte volna a meg nem kötött részecskéket egy egzotikus tulajdonsággal, amelyet „színtöltésnek” neveznek – egy olyan töltési állapotot, amelyet csak a nem kombinált kvarkok és gluonok hordoznak.

A színtöltés szerepe a fekete lyuk dinamikájában

“Amikor először felfedeztük, hogy ezek a fekete lyukak egy kvark-gluon plazmában keletkeznek, a legfontosabb dolog, amit ki kellett találnunk, az volt, hogy mennyi színtöltést tartalmaz az anyagfolt, amely egy ősfekete lyukba kerül?” mondja Alonso-Monsalve.

A QCD elmélet segítségével kidolgozták a színtöltés eloszlását, amelynek léteznie kellett volna a forró, korai plazmában. Aztán összehasonlították egy olyan terület méretével, amely összeomlik, és a másodperc első ötödrészében fekete lyukat képez. Kiderült, hogy abban az időben a legtöbb tipikus fekete lyukban nem sok színtöltés lett volna, mivel nagyszámú olyan régió elnyelésével jöttek volna létre, amelyek vegyes töltést tartalmaztak, ami végül “semleges” lett volna. “töltés.

Következtetések és jövőbeli következmények

De a legkisebb fekete lyukak is tele lettek volna színtöltéssel. Valójában a fizika alapvető törvényei szerint a fekete lyukak maximális mennyiségét tartalmazták volna bármilyen típusú töltetből. Míg ilyen “extrém” fekete lyukakat már évtizedek óta feltételeztek, eddig még senki sem fedezett fel olyan reális folyamatot, amely során ilyen furcsaságok ténylegesen létrejöhettek univerzumunkban.

Bernard Carr, a londoni Queen Mary Egyetem professzora, az ősfekete lyukak témájának szakértője, aki először Stephen Hawkinggal dolgozott a témán, “izgalmasnak” minősítette az új művet. Carr, aki nem vett részt a tanulmányban, azt mondja, a munka azt mutatja, hogy vannak olyan körülmények, amikor a korai univerzum egy kis része olyan tárgyakba kerülhet, amelyek hatalmas mennyiségű színtöltést tartalmaznak (legalábbis egy ideig), ami exponenciálisan nagyobb, mint amilyen. a QCD korábbi tanulmányaiban azonosították.”

A feltöltött fekete lyukak gyorsan elpárologtak volna, de valószínűleg csak azután, amikor az első atommagok elkezdtek kialakulni. A tudósok becslése szerint ez a folyamat körülbelül egy másodperccel az ősrobbanás után indult be, ami rengeteg időt adott volna az extrém fekete lyukaknak, hogy megzavarják azokat az egyensúlyi feltételeket, amelyek az első atommagok kialakulásának kezdetekor uralkodtak volna. Az ilyen perturbációk potenciálisan befolyásolhatják a legkorábbi magok kialakulását, oly módon, hogy egy napon megfigyelhető.

“Ezek a tárgyak izgalmas megfigyelési nyomokat hagyhattak” – elmélkedik Alonso-Monsalve. “Megváltoztathatták volna az egyensúlyt ez és amaz között, és ez az a fajta dolog, amin elkezdhet csodálkozni.”

Hivatkozás: “Primordial Black Holes with QCD Color Charge”, Elba Alonso-Monsalve és David I. Kaiser, 2024. június 6., Fizikai áttekintő levelek.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.231402

Ezt a kutatást részben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma támogatta. Az Alonso-Monsalve-t az MIT Fizikai Tanszékének ösztöndíja is támogatja.

(tagsTo Translate)Asztrofizika

Leave a Reply

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