Czy Wielki Wybuch namnożył biliony czarnych dziur?
7 Paź 2007r. w Kosmologia napisał/a Bartosz KumanekCzy na samym początku Wszechświata powstały ogromne ilości czarnych dziur? Jest to pogląd, możliwy dzięki ekstremalnym gęstościom związanym z Wielkim Wybuchem.
Czy na samym początku Wszechświata powstały ogromne ilości czarnych dziur? Jest to pogląd, możliwy dzięki ekstremalnym gęstościom związanym z Wielkim Wybuchem.
Póki co nie ma mocnych dowodów na to, że takie pierwotne czarne dziury kiedykolwiek istniały, ale nowe obserwacje, które mają wkrótce zostać wykonane, mogłyby to zmienić.
Odkrycie pierwotnych czarnych dziur byłoby wielkim sukcesem, ponieważ można by wykorzystać je do zbadania samego początku Wszechświata w ułamek sekundy po tym jak wszystko się zaczęło, kiedy warunki były tak ekstremalne, że nasze najlepsze teorie fizyczne nie potrafią ich w pełni opisać. Pierwotne czarne dziury mogą również być częścią tajemniczej niewidocznej substancji nazywanej ciemną materią, która stanowi prawdopodobnie większość materii we wszechświecie.
Na początku Wszechświata pierwotne czarne dziury mogły się tworzyć na różne sposoby. Przykładowo, koncentracje energii związane z egzotycznymi polami energii mogły się zapadać pod własnym ciążeniem – zgodnie z względnością Einsteina energia wywiera ciążenie tak jak materia, aby stworzyć czarne dziury. Jedno takie pole energii było prawdopodobnie odpowiedzialne za szybkie rozszerzanie się wczesnego wszechświata, a więc za zjawisko zwane inflacją.
Duża różnorodność masy takich czarnych dziur jest możliwa i zależy od tego jak powstały. Te najmniej masywne, o masie mniejszej niż kometa, czyli biliona kilogramów, szybko wyparowałyby z powodu procesu kwantowego znanego jako promieniowanie Hawkinga.
Bardziej masywne z tych czarnych dziur, które przy narodzinach mogły mieć masę nawet 100 000-krotnie większą niż nasze Słońce, mogłyby przetrwać i odcisnąć piętno na mikrofalowym promieniowaniu tła, emitowanym przez ciepłą materię jakieś 400.000 lat po Wielkim Wybuchu.
Dzieje się tak dlatego, że czarne dziury emitują promienie rentgenowskie kiedy pochłaniają okoliczną materię, a promienie te mogą uciekać z pobliża czarnych dziur i rozszczepiać się lub jonizować atomy wodoru. To wpłynęłoby nieznacznie na to jak materia jest rozmieszczana w rejonach o wysokiej i niskiej gęstości, czyli na rozmieszczenie odwzorowane w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.
Efekt ten mógłby wyjaśnić zagadkową rozbieżność między wynikami sondy WMAP, która mierzy to promieniowanie, a badaniami gromadzenia się galaktyk.
Te dwie teorie nie zgadzają się w kwestii parametru o nazwie sigma8, który opisuje jak materia skupiała się na początku wszechświata. Jednak według ostatnich badań przeprowadzonych przez Massimo Ricottiego z University of Maryland ze Stanów Zjednoczonych, oba pomiary byłyby zbieżne, jeśli tylko w modelach wzięto by pod uwagę pierwotne czarne dziury.
Jednak nawet sam Ricotti twierdzi, że za wcześnie jeszcze na twierdzenie, że istnieją dowody na istnienie pierwotnych czarnych dziur. Mówi też, że możliwe jest, że dopracowanie tych pomiarów “pogodzi” oba badania bez konieczności powoływania się na te egzotyczne obiekty.
Molekularny wodór pomaga w ochładzaniu chmur gazu poprzez emisję promieniowania, co pozwala chmurom na kurczenie się i zostanie gwiazdami. Ricotti mówi, że teleskop James Webb Space Telescope, który ma zostać wystrzelony w roku 2013, powinien być w stanie wykryć tą zwiększoną częstotliwość tworzenia się gwiazd.
Co chyba najbardziej intrygujące, jeśli pierwotne czarne dziury przeżyłyby do dziś w wystarczająco dużej ilości, to ich chmury byłyby wytłumaczeniem części lub nawet całości czarnej materii, która prawdopodobnie jest składnikiem większości materii we Wszechświecie.
Główny problem tej koncepcji polega na tym, że nie jest jasne, czy kiedykolwiek we wszechświecie w ogóle zaistniały warunki niezbędne do powstania w dużych ilościach pierwotnych czarnych dziur.
Przykładowo, w scenariuszu formacyjnym obejmującym pole inflacyjne, liczba powstałych pierwotnych czarnych dziur zależy od niewiadomych, takich jak wielkość wahań w polu inflacyjnym. “W niektórych modelach inflacyjnych można stworzyć mnóstwo pierwotnych czarnych dziur; natomiast w innych powstaje ich bardzo niewiele,” mówi Ricotti. “Nie jest pewne, czy powstają w wystarczających ilościach, aby stanowić przedmiot zainteresowania.
Jeśli kiedykolwiek pojawią się przekonujące dowody na istnienie pierwotnych czarnych dziur, dałoby to naukowcom niezmiernie ważny wgląd we wszechświat u samego zarania. “Jeśli tylko istniałoby kilka pierwotnych czarnych dziur, to dowiedzielibyśmy się z nich na temat początków wszechświata,” mówi Ricotti. “Nie wiemy dużo na temat tamtego okresu.”
Masa czarnych dziur ujawniłaby okres, w którym powstały, jako że w różnych badaniach pojawiają się różne scenariusze na temat ich powstawania i różne ich masy. Gdyby powstały pod koniec inflacji, to ich istnienie odkryłoby ważne informacje na temat mrocznej fizyki tego okresu gwałtownej ekspansji.
“Można by wykluczyć modele inflacji, które nie przedstawiają tych czarnych dziur,” mówi fizyk James Chisholm z Southern Utah University. "Ktoś pewnie dostałby nagrodę Nobla.”
Źródło: NewScientist Space
Fotografia: Jarosław Suchocki
Póki co nie ma mocnych dowodów na to, że takie pierwotne czarne dziury kiedykolwiek istniały, ale nowe obserwacje, które mają wkrótce zostać wykonane, mogłyby to zmienić.
Odkrycie pierwotnych czarnych dziur byłoby wielkim sukcesem, ponieważ można by wykorzystać je do zbadania samego początku Wszechświata w ułamek sekundy po tym jak wszystko się zaczęło, kiedy warunki były tak ekstremalne, że nasze najlepsze teorie fizyczne nie potrafią ich w pełni opisać. Pierwotne czarne dziury mogą również być częścią tajemniczej niewidocznej substancji nazywanej ciemną materią, która stanowi prawdopodobnie większość materii we wszechświecie.
Na początku Wszechświata pierwotne czarne dziury mogły się tworzyć na różne sposoby. Przykładowo, koncentracje energii związane z egzotycznymi polami energii mogły się zapadać pod własnym ciążeniem – zgodnie z względnością Einsteina energia wywiera ciążenie tak jak materia, aby stworzyć czarne dziury. Jedno takie pole energii było prawdopodobnie odpowiedzialne za szybkie rozszerzanie się wczesnego wszechświata, a więc za zjawisko zwane inflacją.
Duża różnorodność masy takich czarnych dziur jest możliwa i zależy od tego jak powstały. Te najmniej masywne, o masie mniejszej niż kometa, czyli biliona kilogramów, szybko wyparowałyby z powodu procesu kwantowego znanego jako promieniowanie Hawkinga.
Detonacja czarnych dziur
Pojawiają się niepotwierdzone raporty o promieniowaniu z nieco bardziej masywnych pierwotnych czarnych dziur, których ostatnie ślady istnienia miałyby właśnie wyparowywać.Bardziej masywne z tych czarnych dziur, które przy narodzinach mogły mieć masę nawet 100 000-krotnie większą niż nasze Słońce, mogłyby przetrwać i odcisnąć piętno na mikrofalowym promieniowaniu tła, emitowanym przez ciepłą materię jakieś 400.000 lat po Wielkim Wybuchu.
Dzieje się tak dlatego, że czarne dziury emitują promienie rentgenowskie kiedy pochłaniają okoliczną materię, a promienie te mogą uciekać z pobliża czarnych dziur i rozszczepiać się lub jonizować atomy wodoru. To wpłynęłoby nieznacznie na to jak materia jest rozmieszczana w rejonach o wysokiej i niskiej gęstości, czyli na rozmieszczenie odwzorowane w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła.
Efekt ten mógłby wyjaśnić zagadkową rozbieżność między wynikami sondy WMAP, która mierzy to promieniowanie, a badaniami gromadzenia się galaktyk.
Te dwie teorie nie zgadzają się w kwestii parametru o nazwie sigma8, który opisuje jak materia skupiała się na początku wszechświata. Jednak według ostatnich badań przeprowadzonych przez Massimo Ricottiego z University of Maryland ze Stanów Zjednoczonych, oba pomiary byłyby zbieżne, jeśli tylko w modelach wzięto by pod uwagę pierwotne czarne dziury.
Jednak nawet sam Ricotti twierdzi, że za wcześnie jeszcze na twierdzenie, że istnieją dowody na istnienie pierwotnych czarnych dziur. Mówi też, że możliwe jest, że dopracowanie tych pomiarów “pogodzi” oba badania bez konieczności powoływania się na te egzotyczne obiekty.
Pierwsze gwiazdy
Badania sugerują również, że pierwsze efekty jonizacyjne pierwotnych czarnych dziur mogły pomóc w zapoczątkowaniu pierwszych gwiazd we wszechświecie. Obecność wolnych elektronów pomaga parom atomów wodoru w łączeniu się i tworzeniu wodoru molekularnego. “Powstało dużo molekularnego wodoru – ok. 10 do 100 razy więcej niż w przypadku, gdyby nie było pierwotnych czarnych dziur,” Ricotti powiedział magazynowi New Scientist.Molekularny wodór pomaga w ochładzaniu chmur gazu poprzez emisję promieniowania, co pozwala chmurom na kurczenie się i zostanie gwiazdami. Ricotti mówi, że teleskop James Webb Space Telescope, który ma zostać wystrzelony w roku 2013, powinien być w stanie wykryć tą zwiększoną częstotliwość tworzenia się gwiazd.
Co chyba najbardziej intrygujące, jeśli pierwotne czarne dziury przeżyłyby do dziś w wystarczająco dużej ilości, to ich chmury byłyby wytłumaczeniem części lub nawet całości czarnej materii, która prawdopodobnie jest składnikiem większości materii we Wszechświecie.
Główny problem tej koncepcji polega na tym, że nie jest jasne, czy kiedykolwiek we wszechświecie w ogóle zaistniały warunki niezbędne do powstania w dużych ilościach pierwotnych czarnych dziur.
Przykładowo, w scenariuszu formacyjnym obejmującym pole inflacyjne, liczba powstałych pierwotnych czarnych dziur zależy od niewiadomych, takich jak wielkość wahań w polu inflacyjnym. “W niektórych modelach inflacyjnych można stworzyć mnóstwo pierwotnych czarnych dziur; natomiast w innych powstaje ich bardzo niewiele,” mówi Ricotti. “Nie jest pewne, czy powstają w wystarczających ilościach, aby stanowić przedmiot zainteresowania.
Okno do przeszłości
Możliwe jest, że niezwykle duże ilości jonizacji we wczesnym Wszechświecie, która mogła powstać dzięki promieniom rentgenowskim emitowanym przez pierwotne czarne dziury, mogłyby zostać wykryte przez europejskiego satelitę Planck, który ma zostać wystrzelony w połowie roku 2008, mówi członkini zespołu WMAP Rachel Bean z Cornell University z Nowego Jorku. “Możliwe jest, że takie efekty mogą zostać zmierzone przez teleskop Planck,” powiedziała magazynowi New Scientist.Jeśli kiedykolwiek pojawią się przekonujące dowody na istnienie pierwotnych czarnych dziur, dałoby to naukowcom niezmiernie ważny wgląd we wszechświat u samego zarania. “Jeśli tylko istniałoby kilka pierwotnych czarnych dziur, to dowiedzielibyśmy się z nich na temat początków wszechświata,” mówi Ricotti. “Nie wiemy dużo na temat tamtego okresu.”
Masa czarnych dziur ujawniłaby okres, w którym powstały, jako że w różnych badaniach pojawiają się różne scenariusze na temat ich powstawania i różne ich masy. Gdyby powstały pod koniec inflacji, to ich istnienie odkryłoby ważne informacje na temat mrocznej fizyki tego okresu gwałtownej ekspansji.
“Można by wykluczyć modele inflacji, które nie przedstawiają tych czarnych dziur,” mówi fizyk James Chisholm z Southern Utah University. "Ktoś pewnie dostałby nagrodę Nobla.”
Źródło: NewScientist Space
Fotografia: Jarosław Suchocki
Komentarze użytkowników
( DODAJ SWÓJ )
Nikt jeszcze nie napisał komentarza do tego materiału.Napisz komentarz
Odpowiedz na pytanie zadane w sondzie.
Zjawiska oraz wydarzenia w nadchodzącym miesiącu.
Zagłosuj lub zgłoś swoją stronę.
Ostatnio pisaliście:
Twoje Imię
20.03.2023, 14:13