Exotiska svarta hål kan vara en biprodukt av mörk materia

by Albert
exotiskt svart hål. Kredit: AI-genererad bild

För varje kilogram materia som vi kan se – från datorn på ditt skrivbord till avlägsna stjärnor och galaxer – finns det 5 kilogram osynlig materia som fyller vår omgivning. Denna ”mörka materia” är en mystisk enhet som undgår alla former av direkt observation men som ändå gör sin närvaro känd genom sin osynliga dragningskraft på synliga objekt.

För femtio år sedan presenterade fysikern Stephen Hawking en idé om vad den mörka materian skulle kunna vara: en population av svarta hål som kan ha bildats mycket snart efter Big Bang.

Sådana ”primordiala” svarta hål skulle inte ha varit de goliater som vi upptäcker idag, utan snarare mikroskopiska regioner av ultratät materia som skulle ha bildats under den första kvintiljondels sekunden efter Big Bang och sedan kollapsat och spridits över kosmos och dragit i den omgivande rumtiden på ett sätt som skulle kunna förklara den mörka materia som vi känner till idag.

Nu har MIT-fysiker funnit att denna urprocess också skulle ha gett upphov till några oväntade följeslagare: ännu mindre svarta hål med oöverträffade mängder av en kärnfysikalisk egenskap som kallas ”färgladdning”.

Dessa minsta, ”superladdade” svarta hål skulle ha varit ett helt nytt materietillstånd, som sannolikt avdunstade en bråkdel av en sekund efter att de skapats. Men de kan ändå ha påverkat en viktig kosmologisk övergång: tidpunkten då de första atomkärnorna bildades.

Fysikerna postulerar att de färgladdade svarta hålen kan ha påverkat balansen mellan de smältande atomkärnorna, på ett sätt som astronomer en dag kan upptäcka med framtida mätningar. En sådan observation skulle på ett övertygande sätt peka på att svarta hål från urtiden är roten till all mörk materia idag.

”Även om dessa kortlivade, exotiska varelser inte finns idag kan de ha påverkat den kosmiska historien på ett sätt som kan visa sig i subtila signaler idag”, säger David Kaiser, Germeshausenprofessor i vetenskapshistoria och professor i fysik vid MIT. ”Inom ramen för idén att all mörk materia skulle kunna förklaras av svarta hål ger detta oss nya saker att leta efter.”

Kaiser och hans medförfattare, MIT:s doktorand Elba Alonso-Monsalve, har publicerat sin studie i tidskriften Physical Review Letters.

En tid före stjärnorna

De svarta hål som vi känner till och upptäcker idag är resultatet av stjärnkollaps, när centrum av en massiv stjärna faller ihop och bildar en region som är så tät att den kan böja rumtiden så att allting – även ljus – fastnar där. Sådana ”astrofysiska” svarta hål kan vara allt från några gånger så massiva som solen till många miljarder gånger mer massiva.

”Primordiala” svarta hål kan däremot vara mycket mindre och tros ha bildats i en tid före stjärnorna. Innan universum ens hade kokat ihop grundämnena, för att inte tala om stjärnor, tror forskarna att fickor av ultratät, ursprunglig materia kan ha samlats och kollapsat för att bilda mikroskopiska svarta hål som kan ha varit så täta att de kan ha pressat in massan av en asteroid i ett område som är lika litet som en enda atom. Gravitationskraften från dessa små, osynliga objekt som är utspridda över hela universum skulle kunna förklara all den mörka materia som vi inte kan se idag.

Om så var fallet, vad skulle då dessa urtida svarta hål ha varit gjorda av? Det är den frågan Kaiser och Alonso-Monsalve tar sig an i sin nya studie.

”Folk har studerat hur fördelningen av svarta håls massor skulle se ut under den här tidiga universumproduktionen, men aldrig kopplat det till vilka typer av saker som skulle ha fallit in i de svarta hålen när de bildades”, förklarar Kaiser.

Superladdade noshörningar

MIT-fysikerna tittade först igenom befintliga teorier för den troliga fördelningen av svarta håls massor när de först bildades i det tidiga universum.

”Vi insåg att det finns en direkt korrelation mellan när ett svart hål bildas och vilken massa det har”, säger Alonso-Monsalve. ”Och det tidsfönstret är absurt tidigt.”

Hon och Kaiser räknade ut att primordiala svarta hål måste ha bildats inom den första kvintiljondels sekunden efter Big Bang. Denna korta tidsrymd skulle ha gett upphov till ”typiska” mikroskopiska svarta hål som var lika massiva som en asteroid och lika små som en atom. Den skulle också ha gett upphov till en liten del exponentiellt mindre svarta hål, med en massa som en noshörning och en storlek som är mycket mindre än en enda proton.

Vad skulle dessa urtida svarta hål ha varit gjorda av? För att ta reda på det tittade de på studier som undersöker sammansättningen av det tidiga universum, och specifikt på teorin om kvantkromodynamik (QCD) – studien av hur kvarkar och gluoner interagerar.

Kvarkar och gluoner är de grundläggande byggstenarna i protoner och neutroner – elementarpartiklar som kombinerades för att skapa grundämnena i det periodiska systemet. Omedelbart efter Big Bang uppskattar fysikerna, baserat på QCD, att universum var ett oerhört hett plasma av kvarkar och gluoner som sedan snabbt svalnade och kombinerades för att producera protoner och neutroner.

Forskarna fann att universum under den första kvintiljondels sekunden fortfarande skulle ha varit en soppa av fria kvarkar och gluoner som ännu inte hade kombinerats. Alla svarta hål som bildades under denna tid skulle ha svalt upp de obundna partiklarna, tillsammans med en exotisk egenskap som kallas ”färgladdning” – ett laddningstillstånd som endast okombinerade kvarkar och gluoner bär.

”När vi förstod att de här svarta hålen bildas i ett kvark-gluonplasma var det viktigaste vi behövde ta reda på hur mycket färgladdning som finns i den klump av materia som hamnar i ett ursprungligt svart hål”, säger Alonso-Monsalve. säger Alonso-Monsalve.

Med hjälp av QCD-teorin räknade de ut fördelningen av färgladdningen som borde ha funnits i den heta, tidiga plasman. Sedan jämförde de det med storleken på en region som skulle kollapsa och bilda ett svart hål under den första kvintiljondels sekunden. Det visade sig att det inte skulle ha funnits mycket färgladdning i de flesta typiska svarta hål vid den tiden, eftersom de skulle ha bildats genom att absorbera ett stort antal regioner som hade en blandning av laddningar, som i slutändan skulle ha adderats till en ”neutral” laddning.

Men de minsta svarta hålen skulle ha varit fullpackade med färgladdningar. Faktum är att de skulle ha innehållit den maximala mängd av alla typer av laddningar som är tillåtna för ett svart hål, enligt fysikens grundläggande lagar. Hypoteser om sådana ”extrema” svarta hål har funnits i årtionden, men fram till nu har ingen upptäckt en realistisk process genom vilken sådana konstigheter faktiskt skulle kunna ha bildats i vårt universum.

De superladdade svarta hålen skulle snabbt ha förångats, men möjligen först efter den tid då de första atomkärnorna började bildas. Forskarna uppskattar att denna process startade cirka en sekund efter Big Bang, vilket skulle ha gett de extrema svarta hålen gott om tid att störa de jämviktsförhållanden som skulle ha rått när de första atomkärnorna började bildas. Sådana störningar skulle potentiellt kunna påverka hur de tidigaste atomkärnorna bildades, på sätt som en dag skulle kunna observeras.

”De här objekten kan ha lämnat spännande observationsavtryck”, funderar Alonso-Monsalve. ”De kan ha förändrat balansen mellan det ena och det andra, och det är den typen av saker som man kan börja fundera över.”

Ytterligare information: Elba Alonso-Monsalve et al, Primordial Black Holes with QCD Color Charge, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.231402. journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.132.231402

Related Articles

Leave a Comment