Pierwotne czarne dziury mogły zostawić swoje ślady wszędzie dookoła

Chaotyczne warunki panujące we wczesnym Wszechświecie mogły umożliwić to, że niezwykle małe pierwotne czarne dziury mogły powstać jeszcze przed pierwszymi gwiazdami. A dowody na ich istnienie mogą znajdować się wszędzie dookoła.

.O tym, że pierwotne czarne dziury istnieją i mogą być nawet nieuchwytną ciemną materią, niewidzialną materią, która stanowi 85 proc. całkowitej masy Wszechświata, naukowcy teoretyzują od dziesięcioleci. Jednak do tej pory nie wykryto tego rodzaju obiektu.

Nowe badania prowadzone przez naukowców z University of Buffalo proponują nowe rozwiązanie potwierdzające ich istnienie, sugerując, że ich sygnatury mogą obejmować zarówno bardzo duże – puste planetoidy w kosmosie – jak i mikroskopijne tunele czasoprzestrzenne w materiałach codziennego użytku występujących na Ziemi.

Badanie, które zostało opublikowane w czasopiśmie Physics of the Dark Universe, zakłada, że pierwotna czarna dziura uwięziona w dużym skalistym obiekcie w kosmosie pochłonęłaby jego płynne jądro i pozostawiła je puste. Alternatywnie, szybszy obiekt tego typu mogłaby pozostawić po sobie proste tunele na tyle duże, że byłyby widoczne pod mikroskopem, gdyby przechodziły przez stały materiał, w tym ten znajdujący się na Ziemi.

„Szanse na znalezienie tych sygnatur są niskie, ale ich poszukiwanie nie wymagałoby dużych zasobów, a potencjalna korzyść, pierwszy dowód, że pierwotne czarne dziury istnieją, byłby ogromny. Musimy myśleć nieszablonowo, ponieważ to, co zostało zrobione wcześniej w celu znalezienia tych obiektów, nie zadziałało” – podkreśla Dejan Stojkovic z University of Buffalo.

W badaniu obliczono, jak duża może być pusta asteroida bez zapadania się w sobie, a także prawdopodobieństwo przejścia pierwotnej czarnej dziury przez obiekt na Ziemi.

Gdy Wszechświat rozszerzał się szybko po Wielkim Wybuchu, obszary przestrzeni mogły być gęstsze niż ich otoczenie, powodując ich zapadanie się i przez co mogły powstawać pierwotne czarne dziury (PBH). Miałyby one znacznie mniejszą masę niż gwiezdne czarne dziury utworzone później przez umierające gwiazdy, ale nadal byłyby niezwykle gęste.

Astronomowie, zaproponowali, gdzie można byłoby znaleźć teoretyczne tunele czasoprzestrzenne oraz zastanawiali się, czy PBH mogłyby kiedykolwiek zostałć uwięzione w planecie, księżycu lub asteroidzie, podczas lub po ich uformowaniu.

„Jeśli obiekt ma płynny rdzeń centralny, wówczas wychwycony pierwotna czarna dziura mogłaby wchłonąć płynny rdzeń, którego gęstość byłaby wyższa niż gęstość zewnętrznej warstwy stałej” – mówi Stojkovic.

PBH mogłaby następnie uciec z obiektu, jeśli na przykład zostałby on uderzony przez asteroidę, pozostawiając jedynie pustą skorupę. Ale badacze nie są pewni czy taka powłoka byłaby wystarczająco mocna, aby się utrzymać, czy po prostu zapadłaby się pod własnym naprężeniem. Porównując wytrzymałość naturalnych materiałów, takich jak granit i żelazo, z napięciem powierzchniowym i gęstością powierzchniową, naukowcy obliczyli, że taki pusty obiekt mógłby mieć nie więcej niż jedną dziesiątą promienia Ziemi, co czyniłoby go bardziej prawdopodobną planetą sub-olbrzym niż planetą właściwą.

„Jeśli obiekty byłby większy, zapadłby się” – zaznacza Stojkovic.

Takie puste obiekty mogą być wykryte przez teleskopy. Masę, a tym samym gęstość, astronomowie mogą określić badając jego orbitę.

„Jeśli gęstość obiektu jest zbyt niska w stosunku do jego wielkości, jest to dobra wskazówka, że jest on pusty” – tłumaczy Stojkovic.

Jednak jak twierdzą naukowcy, w przypadku obiektów bez ciekłego rdzenia, pierwotne czarne dziury mogłyby po prostu przez niego przejść i pozostawić po sobie prosty tunel. Przykładowo, PBH o masie 1022 gramów pozostawiłaby po sobie tunel o grubości 0,1 mikrona.

Duża płyta metalu lub innego materiału mogłaby służyć jako skuteczny detektor czarnych dziur, monitorowany pod kątem nagłego pojawienia się tuneli czasoprzestrzennych, ale astronomowie twierdzą, że bardziej prawdopodobne byłoby poszukiwanie istniejących już tego typu śladów w bardzo starych materiałach – od budynków liczących setki lat po skały liczące miliardy lat.

Mimo to, nawet zakładając, że ciemna materia rzeczywiście składa się z pierwotnych czarnych dziur, prawdopodobieństwo przejścia jednej z nich przez głaz mający miliard lat obliczono na 0,000001. Tak więc prawdopodobieństwo, że PBH przejdzie przez ciało człowieka w ciągu jego życia jest niewielkie. Nawet gdyby tak się stało, prawdopodobnie by tego nie zauważył.

W przeciwieństwie do skał, ludzka tkanka ma niewielkie naprężenia, więc pierwotna czarna dziura nie rozerwie jej na strzępy. I choć jej energia kinetyczna może być ogromna, nie może ona uwolnić dużej jej części podczas uderzenia, ponieważ porusza się tak szybko.

„Jeśli pocisk porusza się w ośrodku z prędkością większą niż prędkość dźwięku, struktura molekularna ośrodka nie ma czasu na reakcję. Rzuć kamieniem w okno, a prawdopodobnie się roztrzaska. Jeśli strzelisz z pistoletu przez okno, prawdopodobnie pozostanie tylko dziura” – mówi Stojkovic.

.Badania teoretyczne takie jak to, mają kluczowe znaczenie, zauważając, że wiele koncepcji fizycznych, które kiedyś wydawały się nieprawdopodobne, obecnie uważa się za właściwe. Dziedzina ta boryka się obecnie z kilkoma poważnymi problemami, wśród których jest zrozumienie czym jest ciemna materia. Jej ostatnie największe rewolucje – mechanika kwantowa i ogólna teoria względności – mają już sto lat. Najmądrzejsi ludzie na świecie pracują nad tymi problemami od 80 lat i jeszcze ich nie rozwiązali. Nie potrzebujemy prostego rozszerzenia istniejących modeli. Prawdopodobnie potrzebujemy zupełnie nowych ram” – podsumowuje Stojkovic.

Oprac. EG