Dowody na istnienie pierwotnych czarnych dziur mogą ukrywać się na planetach
Badania teoretyczne sugerują, że małe czarne dziury, które narodziły się we wczesnym Wszechświecie, mogły pozostawić po sobie puste planetoidy i mikroskopijne tunele.
 | |
| Ilustracja małych pierwotnych czarnych dziur. W rzeczywistości takie małe czarne dziury miałyby trudności z utworzeniem dysków akrecyjnych, które czynią je widocznymi tutaj. Źródło: NASA |
Wyobrażając sobie formowanie się czarnych dziur, prawdopodobnie wyobrazimy sobie masywną gwiazdę, której kończy się paliwo i która zapada się w sobie. Jednak chaotyczne warunki panujące we wczesnym Wszechświecie mogły również umożliwić powstanie wielu małych czarnych dziur na długo przed pojawieniem się pierwszych gwiazd.
Te pierwotne czarne dziury są teoretyzowane od dziesięcioleci i mogą być nawet nieuchwytną ciemną materią, materią, która stanowi 85% całkowitej masy Wszechświata.
Mimo to nigdy nie zaobserwowano żadnej pierwotnej czarnej dziury.
Nowe badania współprowadzone przez Uniwersytet w Buffalo proponują myślenie zarówno w dużej, jak i małej skali, aby potwierdzić ich istnienie, sugerując, że ich sygnatury mogą być bardzo duże – puste planetoidy w kosmosie – lub maleńkie – mikroskopijne tunele w codziennych materiałach występujących na Ziemi, takich jak skały, metale i szkło.
Badania teoretyczne, których wyniki opublikowano w grudniowym numerze Physics of the Dark Universe i są już dostępne online, zakładają, że pierwotna czarna dziura uwięziona w dużym skalistym obiekcie w kosmosie pochłonęłaby jego płynne jądro i pozostawiła je puste. Alternatywnie, szybsza pierwotna czarna dziura mogłaby pozostawić po sobie proste tunele na tyle duże, że byłyby widoczne pod mikroskopem, gdyby przechodziły przez stały materiał, w tym materiał znajdujący się tutaj, na Ziemi.
Szanse na znalezienie tych sygnatur są niewielkie, ale ich poszukiwanie nie wymagałoby dużych zasobów, a potencjalna korzyść, pierwszy dowód na istnienie pierwotnej czarnej dziury byłaby ogromna – powiedział współautor badania, dr Dejan Stojkovic, profesor fizyki w UB College of Arts and Science. Musimy myśleć nieszablonowo, ponieważ to, co zostało zrobione wcześniej w celu znalezienia pierwotnych czarnych dziur, nie zadziałało.
W badaniach obliczono, jak duża może być pusta planetoida bez zapadnięcia się w siebie, a także prawdopodobieństwo przejścia pierwotnej czarnej dziury przez obiekt na Ziemi.
Ze względu na tak duże szanse, skupiliśmy się na solidnych śladach, które istnieją od tysięcy, milionów, a nawet miliardów lat – powiedział współautor dr De-Chang Dai z National Dong Hwa University i Case Western Reserve University.
Puste obiekty nie mogą być większe niż 1/10 Ziemi
Gdy Wszechświat gwałtownie rozszerzał się po Wielkim Wybuchu, obszary przestrzeni mogły być gęstsze niż ich otoczenie, powodując ich zapadanie się i tworzenie pierwotnych czarnych dziur.
Pierwotne czarne dziury miałyby znacznie mniejszą masę niż gwiazdowe czarne dziury utworzone później przez umierające gwiazdy, ale nadal byłyby niezwykle gęste, jak masa góry zagęszczona do obszaru wielkości atomu.
Stojkovic, który wcześniej zaproponował, gdzie można znaleźć teoretyczne tunele czasoprzestrzenne, zastanawiał się, czy pierwotna czarna dziura kiedykolwiek została uwięziona na planecie, księżycu lub planetoidzie, podczas lub po ich uformowaniu.
Jeżeli obiekt ma płynne jądro centralne, wówczas przechwycona pierwotna czarna dziura może wchłonąć płynne jądro, którego gęstość jest wyższa niż gęstość zewnętrznej warstwy stałej – powiedział Stojkovic.
Pierwotna czarna dziura może następnie uciec z obiektu, jeżeli ten zostanie uderzony przez planetoidę, pozostawiając jedynie pustą skorupę.
Ale czy taka skorupa byłaby wystarczająco silna, aby się utrzymać, czy też po prostu zapadłaby się pod własnym ciężarem? Porównując wytrzymałość naturalnych materiałów, takich jak granit i żelazo, z napięciem powierzchniowym i gęstością powierzchniową, naukowcy obliczyli, że taki wydrążony obiekt mógłby mieć nie więcej niż 1/10 promienia Ziemi, czyli byłby bardziej małym ciałem niż planetą właściwą.
Jeżeli będzie to większe ciało, to się zapadnie – powiedział Stojkovic.
Te puste obiekty mogą być wykrywalne za pomocą teleskopów. Masę, a tym samym gęstość, można określić badając orbitę obiektu.
Jeżeli gęstość obiektu jest zbyt niska w stosunku do jego rozmiaru, jest to dobra wskazówka, że jest on pusty – powiedział Stojkovic.
Przedmioty codziennego użytku mogą być detektorami czarnych dziur
W przypadku obiektów bez ciekłego jądra, pierwotne czarne dziury mogą po prostu przejść i pozostawić po sobie prosty tunel, sugerują badania. Na przykład, pierwotna czarna dziura o masie 1022 gramów pozostawiłaby po sobie tunel o grubości 0,1 mikrona.
Duża płyta z metalu lub innego materiału mogłaby służyć jako skuteczny detektor czarnych dziur, monitorowana pod kątem nagłego pojawienia się tych tuneli, ale Stojkovic twierdzi, że większe szanse miałoby poszukiwanie istniejących tuneli w bardzo starych materiałach – od budynków liczących setki lat po skały liczące miliardy lat.
Mimo to, nawet zakładając, że ciemna materia rzeczywiście składa się z pierwotnych czarnych dziur, obliczyli, że prawdopodobieństwo przejścia pierwotnej czarnej dziury przez miliardletni głaz wynosi 0,000001.
Tak więc prawdopodobieństwo, że pierwotna czarna dziura przejdzie przez ciebie w ciągu twojego życia jest co najmniej niewielka. Nawet gdyby tak się stało, prawdopodobnie byś tego nie zauważył.
W przeciwieństwie do skały, ludzka tkanka ma niewielkie naprężenie, więc pierwotna czarna dziura nie rozerwie jej na strzępy. I choć energia kinetyczna pierwotnej czarnej dziury może być ogromna, nie może ona uwolnić dużej jej części podczas zderzenia, ponieważ porusza się bardzo szybko.
Jeżeli pocisk porusza się w ośrodku szybciej niż prędkość dźwięku, struktura molekularna ośrodka nie ma czasu na reakcję – powiedział Stojkovic. Rzuć kamieniem w okno, prawdopodobnie się roztrzaska. Jeżeli strzelisz w okno z pistoletu, prawdopodobnie zostanie tylko dziura.
Potrzebne są nowe ramy teoretyczne
Jak twierdzi Stojkovic, takie teoretyczne badania mają kluczowe znaczenie, gdyż wiele koncepcji fizycznych, które kiedyś wydawały się nieprawdopodobne, obecnie uważa się za prawdopodobne.
Stojkovic dodaje, że dziedzina ta boryka się obecnie z kilkoma poważnymi problemami, wśród których jest ciemna materia. Jej ostatnie duże rewolucje – mechanika kwantowa i ogólna teoria względności – mają już sto lat.
Najmądrzejsi ludzie na świecie pracują nad tymi problemami od 80 lat i jeszcze ich nie rozwiązali – powiedział. Nie potrzebujemy prostego rozszerzenia istniejących modeli. Prawdopodobnie potrzebujemy zupełnie nowych ram.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
