Natuurkundigen beweren dat zwarte gaten van de oerknal de donkere materie kunnen zijn.

Het was een oud idee van Stephen Hawking’s: onzichtbare ‘oorspronkelijke’ zwarte gaten zouden de verborgen donkere materie kunnen zijn. Het viel decennialang uit de gratie, maar een nieuwe reeks onderzoeken heeft aangetoond hoe de theorie kan werken.

Primordiale zwarte gaten zouden zich in het hele universum in verschillende bosjes clusteren. Relatief grote zwarte gaten zouden worden omgeven door veel kleinere.

Zwarte gaten zijn als haaien. Elegant, eenvoudig, enger in de populaire verbeelding dan ze verdienen, en mogelijk op de loer in diepe, donkere plaatsen overal om ons heen.

Door hun zwartheid is het moeilijk in te schatten hoeveel zwarte gaten de kosmos bewonen en hoe groot ze zijn. Het was dus een echte verrassing toen de eerste zwaartekrachtgolven door detectoren van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in september 2015 klonken. Eerder bereikten de grootste zwarte gaten ter grootte van een ster ongeveer 20 keer de massa van de zon. . Deze nieuwe waren elk ongeveer 30 zonsmassa’s – niet ondenkbaar, maar vreemd. Bovendien, toen LIGO eenmaal was ingeschakeld en onmiddellijk begon te horen dat dit soort objecten met elkaar versmelten, realiseerden astrofysici zich dat er meer zwarte gaten op de loer moesten zijn dan ze hadden gedacht. Misschien veel meer.

De ontdekking van deze vreemde exemplaren blies nieuw leven in een oud idee – een idee dat de afgelopen jaren naar de rand was gedegradeerd. We weten dat stervende sterren zwarte gaten kunnen maken. Maar misschien zijn er ook zwarte gaten ontstaan ​​tijdens de oerknal zelf. Een verborgen populatie van dergelijke “oorspronkelijke” zwarte gaten zou mogelijk donkere materie kunnen vormen, een verborgen duim op kosmische schaal. Tenslotte heeft zich ondanks tientallen jaren zoeken geen donkere materie-deeltje getoond. Wat als de ingrediënten die we echt nodig hadden – zwarte gaten – de hele tijd onder onze neus zaten?

“Ja, het was een gek idee”, zegt Marc Kamionkowski, een kosmoloog aan de Johns Hopkins University, wiens groep een van de vele opvallende artikelen naar buiten bracht die de mogelijkheid in 2016 verkenden. “Maar het was niet per se gekker dan wat dan ook. anders.”

Samuel Velasco/Quanta Magazine; source: LIGO -Virgo/Frank Elavsky, Aaron Geller/Northwestern

Helaas, de flirt met oerzwarte gaten verzuurde in 2017, nadat een paper van Yacine Ali-Haïmoud, een astrofysicus aan de New York University die eerder in het optimistische Kamionkowski-team had gezeten, onderzocht hoe dit type zwart gat de detectiegraad van LIGO zou moeten beïnvloeden. Hij berekende dat als het babyuniversum genoeg zwarte gaten zou voortbrengen om donkere materie te verklaren, deze zwarte gaten zich na verloop van tijd in binaire paren zouden nestelen, steeds dichter bij elkaar in een baan om elkaar zouden cirkelen en duizenden keren sneller zouden samenvloeien dan wat LIGO waarneemt. Hij drong er bij andere onderzoekers op aan om het idee te blijven onderzoeken met behulp van alternatieve benaderingen. Maar velen verloren de hoop. Het argument was zo vernietigend dat Kamionkowski zei dat het zijn eigen interesse in de hypothese onderdrukte.

Nu echter, na een vlaag van recente artikelen, lijkt het oorspronkelijke idee van het zwarte gat weer tot leven te zijn gekomen. In een van de laatste, vorige week gepubliceerd in de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, liet Karsten Jedamzik, een kosmoloog aan de Universiteit van Montpellier, zien hoe een grote populatie van oerzwarte gaten kan resulteren in botsingen die perfect overeenkomen met wat LIGO waarneemt. “Als zijn resultaten correct zijn – en het lijkt een zorgvuldige berekening die hij heeft gemaakt – zou dat de laatste spijker in de kist van onze eigen berekening slaan”, zei Ali-Haïmoud, die is blijven spelen met het oorspronkelijke zwarte gatidee in volgende papers ook. “Het zou betekenen dat ze in feite allemaal donkere materie kunnen zijn.”

“Het is opwindend”, zei Christian Byrnes, een kosmoloog aan de Universiteit van Sussex, die hielp bij het inspireren van enkele van de argumenten van Jedamzik. “Hij is verder gegaan dan wie dan ook.”

Het oorspronkelijke idee dateert uit de jaren 70 met het werk van Stephen Hawking en Bernard Carr. Hawking en Carr redeneerden dat in de eerste fracties van een seconde van het universum kleine fluctuaties in de dichtheid gelukkige – of ongelukkige – regio’s met te veel massa hadden kunnen begiftigen. Elk van deze regio’s zou instorten in een zwart gat. De grootte van het zwarte gat zou worden bepaald door de horizon van het gebied – het pakket ruimte rond elk punt dat met de snelheid van het licht kan worden bereikt. Elke materie binnen de horizon zou de zwaartekracht van het zwarte gat voelen en erin vallen. Hawking’s ruwe berekeningen toonden aan dat als de zwarte gaten groter waren dan kleine asteroïden, ze waarschijnlijk nog steeds in het universum op de loer zouden kunnen liggen.

In de jaren negentig kwam er meer vooruitgang. Tegen die tijd hadden theoretici ook de theorie van kosmische inflatie, die stelt dat het universum een ​​uitbarsting van extreme expansie heeft meegemaakt direct na de oerknal. Inflatie zou kunnen verklaren waar de aanvankelijke schommelingen in de dichtheid vandaan zouden zijn gekomen.

Bovenop die dichtheidsfluctuaties, overwogen natuurkundigen ook een belangrijke overgang die de ineenstorting zou overhalen.

Toen het universum nieuw was, kookte al zijn materie en energie in een ondenkbaar heet plasma. Na de eerste honderdduizendste van een seconde of zo koelde het universum een ​​beetje af en konden de losse quarks en gluonen van het plasma samen binden tot zwaardere deeltjes. Met enkele van de bliksemsnelle deeltjes die nu in een keurslijf zaten, daalde de druk. Dat zou er misschien toe hebben geleid dat meer regio’s in zwarte gaten zijn ingestort.

Maar in de jaren negentig begreep niemand de fysica van een vloeistof van quarks en gluonen goed genoeg om precieze voorspellingen te doen over hoe deze overgang de productie van zwart gat zou beïnvloeden. Theoretici konden niet zeggen hoe massief oerzwarte gaten zouden moeten zijn, of hoeveel ze kunnen verwachten.

Bovendien leken kosmologen niet echt primordiale zwarte gaten nodig te hebben. Astronomische onderzoeken hebben stukjes lucht gescand in de hoop een zee van dichte, donkere objecten zoals zwarte gaten te vinden die aan de rand van de Melkweg drijven, maar ze vonden er niet veel. In plaats daarvan gingen de meeste kosmologen geloven dat donkere materie was gemaakt van ultraschuwe deeltjes, WIMP’s genaamd. En de hoop was dat ofwel speciaal gebouwde WIMP-detectoren of de aanstaande Large Hadron Collider er snel harde bewijzen van zouden vinden.

“ Ja, het was een gek idee. Maar het was niet per se gekker dan al het andere. “
Marc Kamionkowski

Nu het probleem van de donkere materie op het punt stond zichzelf te omhullen met een boog en geen waarnemingen die iets anders suggereerden, werden oerzwarte gaten een academische uitloper. “Een ervaren kosmoloog maakte me belachelijk omdat ik eraan werkte”, zei Jedamzik, die zijn eigen interesse terugvoert tot in de jaren negentig. “Dus daar ben ik mee gestopt, omdat ik een vaste aanstelling nodig had.”

Natuurlijk zijn er in de afgelopen decennia geen WIMP’s gevonden, noch nieuwe deeltjes (behalve het lang voorspelde Higgs-deeltje). Donkere materie blijft donker.

Toch is er tegenwoordig veel meer bekend over de omgeving die oerzwarte gaten had kunnen voortbrengen. Natuurkundigen kunnen nu berekenen hoe druk en dichtheid zouden zijn geëvolueerd uit het quark-gluon-plasma aan het begin van het universum. “Het kostte de gemeenschap echt decennia om dit uit te werken”, zei Byrnes. Met die informatie in de hand hebben theoretici zoals Byrnes en Juan García-Bellido van de Autonome Universiteit van Madrid de afgelopen jaren studies gepubliceerd die voorspelden dat het vroege universum niet slechts één maat zwart gat had kunnen voortbrengen, maar een hele reeks van. .

Eerst werden de quarks en gluonen aan elkaar gelijmd tot protonen en neutronen. Dat veroorzaakte een drukval en had een reeks primordiale zwarte gaten kunnen voortbrengen. Terwijl het universum bleef afkoelen, vormden zich deeltjes zoals pionen, waardoor er weer een drukdaling ontstond en mogelijk een zwart gat barstte.

Tussen deze tijdperken breidde de ruimte zelf zich uit. De eerste zwarte gaten konden ongeveer één zonnemassa aan materiaal uit de horizon om zich heen opzuigen. De tweede ronde zou misschien ongeveer 30 zonsmassa’s waard kunnen zijn – net als de vreemde objecten die LIGO voor het eerst zag. “Zwaartekrachtgolven kwamen ons te hulp”, zei García-Bellido.

Binnen enkele weken na de eerste aankondiging van de zwaartekrachtgolf van LIGO in 2016, brulde de oer-hypothese van het zwarte gat weer tot leven. Maar het jaar daarop kwam Ali-Haïmoud met zijn argument dat oerzwarte gaten veel te vaak zouden botsen, waardoor voorstanders een grote hindernis moesten overwinnen.

Jedamzik ​​ging de uitdaging aan. Tijdens een lange vakantie in Costa Rica ging hij achter Ali-Haïmouds argument aan. Ali-Haïmoud had zijn werk analytisch gedaan, door middel van vergelijkingen. Maar toen Jedamzik ​​numerieke simulaties van hetzelfde probleem maakte, ontdekte hij een wending.

Primordiale zwarte gaten zouden inderdaad binaries vormen. Maar Jedamzik ​​concludeerde dat in een universum vol zwarte gaten, een derde zwart gat vaak het oorspronkelijke paar zou naderen en van plaats zou wisselen met een van hen. Dit proces zou zich keer op keer herhalen.

Na verloop van tijd zou dit slingeren van partner naar partner binaire zwarte gaten achterlaten met bijna cirkelvormige banen. Deze partners zouden ongelooflijk traag zijn om in botsing te komen. Zelfs een enorme populatie van primordiale zwarte gaten zou zo weinig fuseren dat de hele hypothese nog steeds zou passen binnen het waargenomen fusietempo van LIGO.

Een arm van de LIGO-detector in Livingston, Louisiana.
William Widmer namens Quanta Magazine

Hij plaatste zijn werk in juni online en behandelde vragen van externe experts zoals Ali-Haïmoud zelf. “Het was erg belangrijk om de gemeenschap er zoveel mogelijk van te overtuigen dat je niet zomaar wat onzin zegt”, zei Jedamzik, met een krachtiger term dan “onzin.”

Hij bouwde ook voort op werk dat voorspelde dat oerzwarte gaten in donkere clusters zouden zitten die ongeveer even groot in diameter waren als de afstand tussen de zon en de dichtstbijzijnde ster. Elk van deze clusters kan ongeveer duizend zwarte gaten bevatten die op elkaar gepropt zijn. De kolossen van 30 zonsmassa’s zouden in het midden zitten; de meest voorkomende kleinere zouden de rest van de ruimte vullen. Deze clusters zouden overal op de loer liggen waar astronomen denken dat donkere materie is. Net als bij sterren in een melkwegstelsel of planeten die om de zon cirkelen, zou de orbitale beweging van elk zwart gat het ervan weerhouden een ander te verslinden – behalve tijdens die ongebruikelijke versmeltingen.

In een tweede paper berekende Jedamzik precies hoe ongebruikelijk deze fusies zouden moeten zijn. Hij maakte de berekeningen voor de grote zwarte gaten die LIGO heeft waargenomen, en voor de kleinere, die het niet heeft. (Kleine zwarte gaten produceerden vage, hoge signalen en moesten dichtbij zijn om te worden gedetecteerd.) “Ik was natuurlijk stomverbaasd om te zien dat ik de een na de ander de juiste snelheid had,” zei hij.

Voorstanders van de oorspronkelijke zwart-gathypothese hebben nog veel overtuigingskracht te bieden. De meeste natuurkundigen geloven nog steeds dat donkere materie is gemaakt van een soort elementair deeltje, een deeltje dat duivels moeilijk te detecteren is. Bovendien verschillen de LIGO-zwarte gaten niet veel van wat we zouden verwachten als ze van gewone sterren zouden komen. “Het vult een soort gat in de theorie dat er eigenlijk niet is”, zegt Carl Rodriguez, een astrofysicus aan de Carnegie Mellon University. “Er zijn dingen die vreemd zijn aan sommige van de LIGO-bronnen, maar we kunnen alles wat we tot nu toe hebben gezien, verklaren via een normaal stellair evolutieproces.”

Selma de Mink, een astrofysicus aan de Harvard University die theorieën heeft geschetst over hoe sterren alleen de zware zwart-gat-binaries kunnen produceren die door LIGO worden gezien, is botter: “Ik denk dat astronomen er een beetje om kunnen lachen.”

Het vinden van slechts één zwart gat met sub-solaire massa – wat volgens het primordiale zwart gat-scenario normaal zou moeten zijn en dat niet kan worden gevormd uit sterren – zou dit hele debat transformeren. En met elke volgende observatierun heeft LIGO zijn gevoeligheid verhoogd, waardoor het uiteindelijk zulke kleine zwarte gaten kan vinden of strikte limieten kan stellen aan het aantal dat er kan bestaan. “Dit is niet een van deze verhalen zoals de snaartheorie, waar we over een decennium of drie decennia misschien nog steeds over discussiëren of het klopt,” zei Byrnes.

Ondertussen onderzoeken andere astrofysici verschillende aspecten van de theorie. Misschien zijn de grootste beperkingen voor oerzwarte gaten bijvoorbeeld afkomstig van microlensing-zoekopdrachten – diezelfde onderzoeken die in de jaren negentig begonnen. Bij deze inspanningen houden astronomen heldere maar verre bronnen in de gaten, in afwachting dat er een donker object voor hen passeert. Deze zoektochten hebben lange tijd een gelijkmatig verspreide populatie van kleine zwarte gaten uitgesloten.

Maar als primordiale zwarte gaten in een reeks van massa’s bestaan, en als ze zijn verpakt in dichte, enorme clusters, kunnen die resultaten minder significant zijn dan onderzoekers dachten, zei García-Bellido.

Aankomende observaties zouden die vraag uiteindelijk ook kunnen oplossen. De European Space Agency is onlangs overeengekomen om een ​​belangrijke extra functie bij te dragen aan de aankomende Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA, een waarmee het baanbrekende microlensing-onderzoeken kan uitvoeren.

De toevoeging kwam in opdracht van Günther Hasinger, wetenschappelijk directeur van ESA, die beweerde dat oer-zwarte gaten meerdere mysteries konden verklaren. Voor Hasinger is het idee aantrekkelijk omdat het geen nieuwe deeltjes of nieuwe fysische theorieën oproept. Het hergebruikt gewoon oude elementen.

“Ik geloof dat sommige van de puzzels die er nog zijn, zichzelf kunnen oplossen”, zei hij, “als je met andere ogen kijkt.”

Gerelateerd:

  1. A New Cosmic Tension: The Universe Might Be Too Thin
  2. Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal
  3. Physicists Debate Hawking’s Idea That the Universe Had No Beginning

Gepubliceerd op: Quantum Magazine

Auteur: Joshua Sokol

Geef een reactie