Oko 50 godina naučna se zajednica bori s velikim problemom: u svemiru nema dovoljno vidljive materije.
Sva materija koju možemo vidjeti - zvijezde, planeti, kozmička prašina i sve između - ne može objasniti zašto se svemir tako ponaša, a mora je biti pet puta više da bi promatranja istraživača imala smisla, prema NASA-i. Naučnici to nazivaju tamnom materijom, jer ne stupa u interakciju sa svjetlom i nevidljiva je, piše CNN.
Sedamdesetih godina prošlog stoljeća američki astronomi Vera Rubin i W. Kent Ford potvrdili su postojanje tamne tvari promatrajući zvijezde koje kruže na rubovima spiralnih galaksija. Primijetili su da su se te zvijezde kretale prebrzo da bi ih vidljiva materija galaksije i njezina gravitacija držale zajedno - umjesto toga trebale su se razletjeti. Jedino objašnjenje bila je velika količina nevidljive materije koja je povezivala galaksiju.
"Ono što vidite u spiralnoj galaksiji", rekao je tada Rubin, "nije ono što dobijete." Njezin se rad temeljio na hipotezi koju je 1930-ih formulirao švicarski astronom Fritz Zwicky i pokrenula potragu za nedostižnom tvari.
Od tada naučnici pokušavaju izravno promatrati tamnu tvar i čak su izgradili velike uređaje za njezino otkrivanje - ali do sada, bez uspjeha.
Na početku potrage, poznati britanski fizičar Stephen Hawking pretpostavio je da bi se tamna tvar mogla skrivati u crnim rupama — glavnoj temi njegova rada — nastalim tokom velikog praska.
Sada je nova studija istraživača s Massachusetts Institute of Technology ponovno vratila teoriju u središte pozornosti, otkrivajući od čega su te prvobitne crne rupe napravljene i potencijalno otkrivajući potpuno novu vrstu egzotične crne rupe u tom procesu.
"Bilo je to stvarno divno iznenađenje", rekao je David Kaiser, jedan od autora studije.
"Koristili smo poznate proračune Stephena Hawkinga o crnim rupama, posebno njegov važan rezultat o zračenju koje crne rupe emitiraju", rekao je Kaiser. "Ove egzotične crne rupe nastaju nakon pokušaja rješavanja problema tamne tvari - one su nusprodukt objašnjenja tamne tvari."
Prvi kvintilioniti dio sekunde
Naučnici su iznijeli mnoga nagađanja o tome što bi tamna tvar mogla biti, u rasponu od nepoznatih čestica do dodatnih dimenzija. Ali Hawkingova teorija crnih rupa tek je nedavno stupila na snagu.
"Ljudi to nisu shvaćali ozbiljno do prije možda 10 godina", rekla je koautorica studije Elba Alonso-Monsalve, studentica MIT-a. "A to je zato što su se crne rupe nekoć činile stvarno nedostižnima - početkom 20. stoljeća ljudi su mislili da su one samo matematička zabavna činjenica, ništa fizičko."
Sada znamo da gotovo svaka galaksija ima crnu rupu u svom središtu, a otkriće istraživača Einsteinovih gravitacijskih valova stvorenih sudaranjem crnih rupa 2015. godine — što je značajno otkriće — jasno je pokazalo da su one posvuda.
"Zapravo, svemir vrvi crnim rupama", rekao je Alonso-Monsalve. “Ali čestica tamne tvari nije pronađena, iako su je ljudi tražili na svim mjestima gdje su očekivali da će je pronaći. To ne znači da tamna tvar nije čestica ili da je sigurno crna rupa. Mogla bi biti kombinacija. Ali sada se crne rupe kao kandidati za tamnu tvar shvaćaju mnogo ozbiljnije.”
Druge nedavne studije potvrdile su valjanost Hawkingove hipoteze, ali rad Alonso-Monsalvea i Kaisera, profesora fizike i Germeshausen profesora historije nauke na MIT-u, ide korak dalje i istražuje što se tačno dogodilo kada je iskonska crna prvo nastale rupe.
Studija, objavljena 6. juna u časopisu Physical Review Letters, otkriva da su se te crne rupe morale pojaviti u prvoj kvintiliontinki sekunde Velikog praska: “To je stvarno rano, i puno ranije od trenutka kada su protoni i neutroni, formirane su čestice od kojih je sve napravljeno”, rekao je Alonso-Monsalve.
U našem svakodnevnom svijetu ne možemo pronaći protone i neutrone razlomljene, dodala je, a oni se ponašaju kao elementarne čestice. Međutim, znamo da nisu, jer se sastoje od još manjih čestica zvanih kvarkovi, spojenih drugim česticama zvanim gluoni.
"Sada ne možete pronaći kvarkove i gluone same i slobodne u svemiru jer je previše hladno", dodao je Alonso-Monsalve. “Ali na početku velikog praska, kad je bilo jako vruće, mogli su se naći sami i slobodni. Dakle, primordijalne crne rupe nastale su apsorbiranjem slobodnih kvarkova i gluona.”
Takva formacija učinila bi ih bitno drugačijima od astrofizičkih crnih rupa koje naučnici inače promatraju u svemiru, a koje su rezultat kolapsa zvijezda. Također, primordijalna crna rupa bila bi mnogo manja - samo bi masa asteroida, u prosjeku, bila kondenzirana u volumen jednog atoma. Ali ako dovoljan broj tih prvobitnih crnih rupa nije ispario u ranom velikom prasku i preživio do danas, one bi mogle predstavljati svu ili većinu tamne tvari.
Dugotrajan potpis
Tokom stvaranja primordijalnih crnih rupa, druga vrsta prethodno neviđene crne rupe morala se formirati kao neka vrsta nusprodukta, prema studiji. Oni bi bili čak i manji - samo masa nosoroga, kondenzirana u manje od volumena jednog protona.
Ove minijaturne crne rupe, zbog svoje male veličine, mogle bi pokupiti rijetko i egzotično svojstvo iz kvark-gluonske juhe u kojoj su nastale, zvano "naboj boje". To je stanje naboja koje je isključivo za kvarkove i gluone, a nikad se ne može naći u običnim objektima, rekao je Kaiser.
Ovaj naboj u boji bi ih učinio jedinstvenima među crnim rupama, koje obično nemaju nikakav naboj.
"Neizbježno je da bi se te još manje crne rupe također formirale, kao nusproizvod (formiranja iskonskih crnih rupa)," rekao je Alonso-Monsalve, "ali njih danas više ne bi bilo, jer bi već isparile."
Međutim, ako su još uvijek bili oko deset miliontinki sekunde nakon velikog praska, kada su protoni i neutroni nastali, mogli su ostaviti vidljive tragove mijenjajući ravnotežu između dva tipa čestica.
“Ravnoteža koliko je protona i koliko neutrona nastalo vrlo je osjetljiva i ovisi o tome što je još u to vrijeme postojalo u svemiru. Da su te crne rupe s nabojem u boji još uvijek prisutne, mogle su pomaknuti ravnotežu između protona i neutrona (u korist jednog ili drugog), taman toliko da u sljedećih nekoliko godina to možemo izmjeriti”, dodala je.
Mjerenje bi moglo doći od zemaljskih teleskopa ili osjetljivih instrumenata na satelitima u orbiti, rekao je Kaiser. Ali mogao bi postojati drugi način da se potvrdi postojanje ovih egzotičnih crnih rupa, dodao je.
“Stvaranje populacije crnih rupa vrlo je nasilan proces koji bi poslao goleme valove u okolnom prostor-vremenu. One bi se smanjile tokom kosmičke historije, ali ne do nule,” rekao je Kaiser. "Sljedeća generacija gravitacijskih detektora mogla bi uhvatiti pogled na crne rupe male mase - egzotično stanje materije koje je bilo neočekivani nusprodukt običnijih crnih rupa koje bi mogle objasniti današnju tamnu tvar."
Mnogi oblici tamne tvari
Šta to znači za tekuće eksperimente koji pokušavaju otkriti tamnu tvar, kao što je LZ eksperiment tamne tvari u Južnoj Dakoti?
"Ideja da postoje egzotične nove čestice ostaje zanimljiva hipoteza", rekao je Kaiser. “Postoje i druge vrste velikih eksperimenata, od kojih su neki u izradi, tražeći otmjene načine za otkrivanje gravitacijskih valova. A one bi doista mogle pokupiti neke od zalutalih signala iz vrlo nasilnog procesa formiranja iskonskih crnih rupa."
Također postoji mogućnost da su primordijalne crne rupe samo djelić tamne tvari, dodao je Alonso-Monsalve. "Zapravo ne mora biti svejedno", rekla je. “Postoji pet puta više tamne tvari od obične materije, a obična materija je formirana od cijelog niza različitih čestica. Pa zašto bi tamna tvar bila jedna vrsta objekta?"
Primordijalne crne rupe ponovno su stekle popularnost otkrićem gravitacijskih valova, no još se ne zna mnogo o njihovom nastanku, kaže Nico Cappelluti, asistent profesora na odjelu fizike Univerziteta u Miamiju. Nije bio uključen u studiju.
"Ovaj rad je zanimljiva, održiva opcija za objašnjenje nedostižne tamne tvari", rekao je Cappelluti.
Studija je uzbudljiva i predlaže novi mehanizam nastanka prve generacije crnih rupa, rekao je Priyamvada Natarajan, profesor astronomije i fizike Josepha S. i Sophie S. Fruton na Univerzitetu Yale. Također nije bila uključena u istraživanje.
"Sav vodik i helij koji danas imamo u našem svemiru stvoren je u prve tri minute, a da je do tada bilo dovoljno tih prvobitnih crnih rupa, one bi utjecale na taj proces i ti se učinci mogu otkriti", rekao je Natarajan.
"Činjenica da je ovo hipoteza koju je moguće promatrati je ono što smatram stvarno uzbudljivim, osim činjenice da ovo sugerira da priroda vjerovatno stvara crne rupe počevši od najranijih vremena kroz više puteva."
