Na początku wszechświata mogły istnieć niezwykle egzotyczne miniaturowe czarne dziury

[KopalniaWiedzy.pl 330]

We wszechświecie obserwujemy wyraźną nierównowagę pomiędzy ciemną materią, a materią widzialną. Mimo że tej pierwszej jest znacznie więcej, wciąż nie wiemy, czym ona jest. Przed pięćdziesięciu laty Stephen Hawking wysunął hipotezę, zgodnie z którą ciemna materia jest zawarta w populacji miniaturowych czarnych dziur, które powstały w trylionowej (10^-18) części sekundy po Wielkim Wybuchu, następnie zapadły się i rozproszyły po wszechświecie, ciągnąc za sobą czasoprzestrzeń, co doprowadziło do dzisiejszego rozkładu ciemnej materii.

Profesor historii nauki i fizyki David Kaiser z MIT oraz absolwentka jego uczelni, Elba Alonso-Monsalve, postanowili sprawdzić, z czego te czarne dziury mogły powstać. Najpierw przyjrzeli się istniejącym teoriom dotyczącym mas i dystrybucji tych czarnych dziur. Zauważyliśmy, że istnieje bezpośredni związek pomiędzy czasem uformowania się czarnej dziury, a jej masą, mówi młoda uczona. Przeprowadzili obliczenia, z których dowiedzieli się, że mikroskopijne czarne dziury – o masie asteroidy i średnicy atomu – musiały powstać w ciągu pierwszej trylionowej sekundy po Wielkim Wybuchu. Jednak z obliczeń wynikało coś jeszcze. Mogła wówczas powstać też stosunkowo nieduża liczba znacznie mniejszych czarnych dziur – obiektów o masie kilku ton i rozmiarach znacznie mniejszych od protonu. Z czego jednak mogły być zbudowane?

Kaiser i Alonso-Monsalve przeanalizowali badania dotyczące składu wczesnego wszechświata, skupiając się głównie na chromodynamice kwantowej, która zajmuje się oddziaływaniami silnymi. Te najsilniejsze z oddziaływań podstawowych zachodzą pomiędzy kwarkami a gluonami. Kwarki i gluony zaś to podstawowe budulce protonów i neutronów. Tymczasem zaraz po Wielkim Wybuchu wszechświat istniał w formie gorącej plazmy kwarkowo-gluonowej, która szybko się chłodziła, dając początek protonom i neutronom.

Zdaniem badaczy, w tej jednej trylionowej sekundy, gdy kwarki i gluony jeszcze się ze sobą nie połączyły, każda uformowana wówczas czarna dziura wchłaniała takie wolne cząstki, warz z ich wyjątkową egzotyczną właściwością zwaną ładunkiem kolorowym. Gdy tylko zdaliśmy sobie sprawę, że te czarne dziury istniały w plazmie kwarkowo-gluonowej, najważniejszym pytaniem stało się, jak wiele ładunku kolorowego znajdowało się w materii, która wpadała do takiej pierwotnej czarnej dziury, mówi Alonso-Monsalve.

Korzystając z chromodynamiki kwantowej badacze określili rozkład ładunku kolorowego w plazmie. Następnie obliczyli obszar wokół czarnej dziury, z którego wpadała doń materia. Doszli do wniosku, że mikroskopijne czarne dziury w tym czasie nie zawierały zbyt dużego ładunku kolorowego, ponieważ wchłaniały materię z na tyle dużego obszaru, iż istniała tam spora mieszanina ładunków, dających w sumie „ładunek obojętny”. Jednak inaczej było w przypadku najmniejszych czarnych dziur, tych mniejszych od protonu. Obszar wokół nich był na tyle mały, że różne ładunki kolorowe nie były dobrze wymieszane. Te supermałe czarne dziury były gęsto napakowane ładunkami kolorowymi, sięgając pod tym względem maksimum dopuszczalnego przez prawa fizyki.

Głównym osiągnięciem badaczy z MIT nie jest stwierdzenie istnienia takich „ekstremalnych” czarnych dziur – o tym dyskutowano już od dawna – ale zarysowanie wiarygodnego procesu ich powstawania. Profesor Bernard Carr z Queen Mary University, uznał te badania za ekscytujące. Pokazują one bowiem, że istnieją okoliczności, w których malutką część wczesnego wszechświata mogły – chociaż przez chwilę – stanowić obiekty o ekstremalnych wartościach ładunku kolorowego. Wartości te są znacznie większe niż te, które pokazywały dotychczasowe badania na gruncie chromodynamiki kwantowej.

Takie supernaładowane czarne dziury błyskawicznie wyparowały, ale prawdopodobnie istniały jeszcze w momencie, gdy tworzyły się pierwsze jądra atomowe. Proces ich formowania rozpoczął się około sekundy po Wielkim Wybuchu. A to oznacza, że te czarne dziury miały wystarczająco dużo czasu, by zaburzyć równowagę istniejącą do chwili tworzenia się jąder atomowych. Naukowcy nie wykluczają, że zaburzenia te wpłynęły na formowanie się jąder w taki sposób, że pewnego dnia będziemy w stanie zarejestrować ślady tego procesu.

« powrót do artykułu