Czy ciemna materia składa się z pierwotnych czarnych dziur?
Czy możliwe aby ciemna materia – nieuchwytna substancja, tworząca większość materialnego wszechświata – była zbudowana z czarnych dziur? Niektórzy astronomowie zaczynają myśleć, że ta koncepcja jest bardzo prawdopodobna.
Obraz pokazuje światło podczerwone nie związane z żadnym ze znanych źródeł. Może być pozostałością po pierwszych świecących obiektach wszechświata, w tym gwiazdach. Źródło: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
Alexander Kashlinsky, astronom z NASA Goddard Space Flight Center w Maryland, uważa, że czarne dziury, które powstały wkrótce po Wielkim Wybuchu, mogłyby doskonale wyjaśniać obserwację fal grawitacyjnych, wykrytych w ubiegłym roku przez detektor LIGO, jak również wcześniejsze obserwacje młodego wszechświata.
Jeśli Kashlinsky ma rację, to ciemna materia może być złożona z pierwotnych czarnych dziur, wszystkie galaktyki mogą znajdować się szerokiej sferze czarnych dziur, a wczesny wszechświat mógł ewoluować inaczej niż do tej pory myśleli naukowcy.
W 2005 Kashlinsky i jego współpracownicy skorzystali z Kosmicznego Teleskopu Spitzera NASA do badania promieniowania tła podczerwonego we wszechświecie. Naukowcy chcieli spojrzeć w stronę wczesnego Wszechświata, ponad poziom obserwacji poszczególnych galaktyk.
„Załóżmy, że oglądasz Nowy Jork z dalekiej odległości. Nie zobaczysz światła pojedynczej latarni ani budynków, ale skumulowane, rozproszone światło” wyjaśnił Kashlinsky na portalu Space.com
Kiedy usuniemy wszystkie światła ze znanych w całym wszechświecie galaktyk, będzie można wykryć dodatkowe światło – blask z pierwszego źródła oświetlającego wszechświat ponad 13 miliardów lat temu.
Wcześniej w 2013 roku Kashlinsky wykorzystał Teleskop Kosmiczny Chandra by zbadać blask tła w innej części widma elektromagnetycznego: promieni rentgenowskich.
Ku zaskoczeniu fizyków wzory pojawiające się w analizie tła podczerwieni były idealnie dopasowane do wzorów tła rentgenowskiego.
Obraz nieba w podczerwieni, wykonany przez NASA Spitzer Space Telescope. Obraz przedstawia ten sam skrawek nieba, który widać na zdjęciu powyżej, ale bez źródeł podczerwieni. Źródło: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
„Jedynymi źródłami, które byłyby w stanie wytworzyć obydwa promieniowania – podczerwone i rentgenowskie, są czarne dziury” powiedział Kashlinsky. „Nigdy nie przyszłoby mi do głowy, że mogły to być pierwotne czarne dziury”.
Następnie 14 września 2015 roku udało się dokonać pierwszej w historii bezpośredniej detekcji fal grawitacyjnych – kosmicznych zmarszczek w tkaninie czasoprzestrzeni, które zostały wyprodukowane przez parę zderzających się czarnych dziur. To zapoczątkowało nową erę odkryć, w których astronomowie mogą obserwować unikalne sygnały utworzone przez potężne wydarzenia astronomiczne.
Odkrycie może być o wiele bardziej znaczące. Simeon Bird, astronom z Johns Hopkins University, zasugerował, że dwie czarne dziury wykryte przez LIGO, mogą być pierwotne.
Pierwotne czarne dziury nie tworzą się z zapadania się martwej gwiazdy, czyli najbardziej znanego mechanizmu powstawania czarnej dziury, który może zaistnieć dopiero w stosunkowo późnym etapie życia wszechświata. Zamiast tego pierwotne czarne dziury miałyby powstać wkrótce po Wielkim Wybuchu, kiedy fale dźwiękowe rozprzestrzeniały się w całym wszechświecie. Obszary, w których fale były najgęstsze, mogły spowodować załamanie, tworząc czarną dziurę.
Zjawisko to można porównać do rozciągającego się ciasta pizzy podczas urabiania go w tradycyjny włoski sposób – kręcąc nim w powietrzu obserwujemy, że z czasem pojawią się w nim małe dziury. Podobnie dzieje się z czasoprzestrzenią, a powstające „dziury” to właśnie pierwotne czarne dziury.
Aż do teraz, pierwotne czarne dziury pozostawały hipotetyczne.
Teraz Kashlinsky spojrzał na konsekwencje, jakie pierwotne czarne dziury musiałyby spowodować w ewolucji kosmosu.
W pierwszych 500 milionach lat historii wszechświata, ciemna materia zapadał się w grudki zwane „halo”, stając się grawitacyjnymi nasionkami, które później umożliwiły materii gromadzenie się i tworzenie pierwszych gwiazd i galaktyk. Jeśli jednak ciemna materia składała się z pierwotnych czarnych dziur, proces ten wytworzyłby znacznie więcej halo.
Blask podczerwieni mógł powstać z pierwszych gwiazd powstających z halo. Mimo iż gwiazdy emitują zarówno światło widoczne jak i ultrafioletowe, rozszerzanie się wszechświata spowodowało rozciągniecie się światła, dlatego dla astronomów na ziemi te pierwsze gwiazdy widoczne są jako podczerwień. Wczesne gwiazdy mogą więc same – bez dodatkowego halo – generować podczerwień, jednak nie na taką skalę jaką zaobserwowali astronomowie.
Gaz który stworzył te pierwsze gwiazdy również zapadał się tworząc pierwotne czarne dziury, nagrzane do tak wysokich temperatur, że wywołujące promienie rentgenowskie. Mimo im kosmiczne tło podczerwieni można wyjaśnić – choć w mniejszym stopniu – bez pierwotnych czarnych dziur, kosmicznego tła rentgenowskiego nie można. Pierwotne czarne dziury łączą te dwie obserwacje w logiczną całość.
Z czasem pierwotne czarne dziury mogły zbliżyć się na tyle, aby zacząć orbitować wokół siebie (tworząc system binarny) i emitować fale grawitacyjne, podobne do tych wykrytych przez LIGO. Koniecznych jest jednak więcej obserwacji czarnych dziur aby stwierdzić, czy obiekty zaobserwowane w zeszłym roku są pierwotne czy utworzone później w historii wszechświata.
