Ciemną materię tworzą czarne dziury? Obliczenia dodają skrzydeł odrzuconej koncepcji Hawkinga

Wśród wielu niezwykłych idei Stephena Hawkinga jest i taka, zgodnie z którą ciemną materię stanowią czarne dziury, które powstały krótko po Wielkim Wybuchu. Pomysł taki jednak odrzucono, jednak nowe badania wskazują, że hipoteza taka może być prawdziwa.

Pierwotne czarne dziury miałyby powstać nie w wyniku zapadania się gwiazd, a bezpośrednio z gęstej materii powstałej tuż po Wielkim Wybuchu. Tym samym ich masa mogłaby być znacznie mniejsza od masy Słońca.

Obecnie znamy olbrzymie czarne dziury w centrach galaktyk oraz czarne dziury o masie gwiazdowej. Te drugie powstają w wyniku kolapsu grawitacyjnego gwiazd. Przed uruchomieniem wykrywacza fal grawitacyjnych LIGO znaliśmy czarne dziury o masie gwiazdowej nie przekraczającej około 20 mas Słońca. Jednak dzięki LIGO i europejskiemu VIRGO zaczęliśmy wykrywać bardziej masywne czarne dziury. Okazało się, że istnieją takie obiekty o masach od ponad 20 do nawet 85 mas Słońca. Udało się też zidentyfikować dziury o znacznie mniejszej masie. A najmniej masywna znana czarna dziura miała zaledwie 2,59 masy Słońca.

Jeśli uda się wykryć czarne dziury o mniejszych niż masy gwiazd, z których obiekty takie mogą powstawać, może to oznaczać, że mamy do czynienia właśnie z pierwotnymi czarnymi dziurami. Zresztą już same prace tandemu LIGO/Virgo pokazały, że zakres mas czarnych dziur jest znacznie większy niż dotychczas przypuszczano, więc i samych czarnych dziur jest znacznie więcej, niż nam się wydaje.

Jednak w 2017 roku Yacine Ali-Haïmoud, astrofizyk z New York University, opublikował pracę, w której wyliczał, że gdyby zaraz po Wielkim Wybuchu powstało tyle czarnych dziur, iż wyjaśniałyby one istnienie ciemnej materii, to z czasem dziury takie tworzyłyby pary, zaczynały wokół siebie krążyć, a w końcu łączyłyby się emitując fale grawitacyjne. Wydarzeń takich, wyliczał uczony, powinno być tak wiele, że LIGO/Virgo wykrywałyby tysiące razy więcej fal grawitacyjnych niż obecnie. Argumenty naukowca z Nowego Jorku były tak przekonujące, że wielu entuzjastów hipotezy pierwotnych czarnych dziur straciło dla niej serce.

W ubiegłym tygodniu na łamach Cosmology and Astroparticle Physics Karsten Jedamzik z Uniwersytetu w Monpellier opublikował obliczenia, z których wynika, że w wielkiej populacji pierwotnych czarnych dziur zachodziłoby dokładnie tyle zderzeń ile obecnie obserwują wykrywacze fal grawitacyjnych. Jeśli jego obliczenia są prawidłowe, a wydaje się, że przeprowadził je skrupulatnie, to pogrzebał nasze własne wyliczenia, przyznaje Ali-Haïmoud. To by oznaczało, że czarne dziury rzeczywiście mogą stanowić całą ciemną materię.

W latach 70. Stephen Hawking i Bernard Carr wysunęli hipotezę, że w czasie pierwszych ułamków sekundy po Wielkim Wybuchu, w rozszerzającym się wszechświecie pojawiały się niewielkie fluktuacje materii, które zamieniały się w czarne dziury. Hawking przeprowadził nawet zgrubne obliczenia, z których wynikało, że jeśli te czarne dziury miały rozmiar większy od małych asteroid, to istnieją do dzisiaj. W latach 90. zarysowano nieco bardziej szczegółowy obraz wydarzeń. Produkcję takich czarnych dziur przyspieszało ochładzanie się materii. Gdy po tysięcznych częściach sekundy od Wielkiego Wybuchu wszechświat nieco się ochłodził, kwarki i gluony z pierwotnej zupy zaczęły łączyć się w cięższe cząstki. Spadło ciśnienie, co spowodowało, że jeszcze więcej regionów zapadło się do czarnych dziur.

Jednak przed 30 laty nie rozumiano dobrze fizyki plazmy kwarkowo-gluonowej, więc nikt nie potrafił precyzyjnie obliczyć, jak pojawienie się innych cząstek wpłynęło na tworzenie się czarnych dziur, jak masywne były to dziury, ani jak wiele mogło ich powstać. Ponadto zbytnio się tym tematem nie zajmowano. Pierwotne dziury nie były potrzebne, gdyż panował szeroko rozpowszechniony pogląd, że ciemną materię tworzą WIMPy (słabo oddziałujące masywne cząstki). Pierwotne czarne dziury odeszły w zapomnienie, stawały się przedmiotem kpin.

Jednak WIMP-ów nie odkryto, za to coraz więcej wiemy od warunkach, jakie mogły panować na samym początku wszechświata.
Od kilku lat niektórzy naukowcy bardziej intensywnie zajmują się pierwotnymi czarnymi dziurami. Publikowane prace pokazują, w jaki sposób mogły one powstać. Pierwsza generacja czarnych dziur mogła pojawić się po spadku temperatury wszechświata i utworzeniu przez kwarki i gluony pierwszych protonów i neutronów. Spowodowany tym spadek ciśnienia wywołał tworzenie się czarnych dziur, z których każda mogła wchłonąć ze swojej okolicy materię o masie około 1 masy Słońca. Oddziaływanie czarnej dziury było ograniczone horyzontem.

Jednak wszechświat nadal się ochładzał. Zaczęły formować się kolejne cząstki, jak piony. To znowu spowodowało spadek ciśnienia i masowe pojawianie się kolejnych pierwotnych czarnych dziur. Jako, że wszechświat ciągle się rozszerzał, dziury należące do tej drugiej generacji mogły wchłaniać już więcej materii. Z obliczeń wynika, że było to około 30 mas Słońca. Dokładnie tyle, ile czarne dziury wykrywane przez LIGO/Virgo.

Po uruchomieniu LIGO zainteresowanie koncepcją pierwotnych czarnych dziur wzrosło. Jednak Ali-Haïmoud przedstawił wspomnianą wcześniej pracę, w której odrzucił tę koncepcję. Obliczył bowiem, że dziur powinno być tak dużo, że rejestrowalibyśmy obecnie tysiące razy więcej fal grawitacyjnych niż rejestrujemy.

Z zagadnieniem tym postanowił zmierzyć się Karsten Jedamzik, kosmolog z Montpellier. Gdy stworzył numeryczną symulację wszechświata pełnego obecnie czarnych dziur, odkrył zjawisko, którego Ali-Haimoud nie zauważył. Stwierdził otóż, że we wszechświecie pełnym czarnych dziur rzeczywiście dochodziłoby do bardzo częstego tworzenia się układów podwójnych takich obiektów. Jednak równie często do takiego układu podwójnego zbliżyłaby się trzecia czarna dziura i zamieniłaby się miejscami z jedną z dziur układu. Taki proces ciągle by się powtarzał. Z czasem, jak wylicza Jedamzik, takie ciągle zmieniające partnera czarne dziury tworzyłyby układy podwójne o niemal kołowych orbitach. W takich układach do zderzeń dochodziłoby bardzo rzadko. Z obliczeń Jedamzika wynika, że z powodu opisanego zjawiska nawet we wszechświecie pełnym czarnych dziur, notowalibyśmy fale grawitacyjne równie rzadko co obecnie.

Co więcej Jedamzik oblicza, że pierwotne czarne dziury tworzą gromady o średnicy niemal 4 lat świetlnych. W takich gromadach może znajdować się około 1000 czarnych dziur. W centrum gromady skupiają się dziury o masie około 30 mas Słońca, na jej obrzeżach krążą mniej masywne czarne dziury. Takie gromady mogą znajdować się dosłownie wszędzie.

Prace Jedamzika niczego jeszcze nie przesądzają. One wypełniają luki w nieistniejącej teorii, mówi Carl Rodriguez, astrofizyk z Carnegie Mellon Univeristy. Zwolennicy hipotezy pierwotnych czarnych dziur mają jeszcze wiele do zrobienia. W sygnałach z LIGO obserwujemy pewne dziwne zjawiska, jednak wszystko, co dotychczas zarejestrowaliśmy, można wytłumaczyć istnieniem standardowego procesu ewolucji gwiazd.

Wygląda jednak na to, że istnienie bądź nieistnienie pierwotnych czarnych dziur zostanie dość szybko rozstrzygnięte. To nie jest nic w rodzaju teorii strun, gdzie dekadę czy trzy dekady później wciąż trwa dyskusja, stwierdza Chrisitan Byrnes z University of Sussex. Rosnąca czułość LIGO już wkrótce powinna pozwolić albo na wykrycie czarnej dziury o masie poniżej masy gwiazdowej, albo też na znalezienie ścisłego limitu minimalnej masy dla czarnych dziur.

pierwotne czarne dziury ciemna materia Stephen Hawking