Misschien kunnen we een van Stephen Hawkings meest vergaande ideeën testen

De James Webb-telescoop moet de broodnodige gegevens terugbrengen.

Mogelijk kunnen we binnenkort een van de meest controversiële theorieën van Stephen Hawking testen, suggereert nieuw onderzoek.

In de jaren zeventig stelde Hawking voor dat donkere materie , de onzichtbare substantie die de meeste materie in de kosmos vormt, kan worden gemaakt van zwarte gaten die in de vroegste momenten van de oerknal zijn gevormd . 

Nu hebben drie astronomen een theorie ontwikkeld die niet alleen het bestaan ​​van donkere materie verklaart, maar ook het verschijnen van de grootste zwarte gaten in het heelal. 

Een artistieke impressie van donkere materie in het begin van het heelal. (Afbeelding tegoed: Shutterstock)

“Wat ik persoonlijk super opwindend vind aan dit idee, is hoe het op elegante wijze de twee echt uitdagende problemen verenigt waaraan ik werk – dat van het onderzoeken van de aard van donkere materie en de vorming en groei van zwarte gaten – en ze in één klap oplost, ” studie co-auteur Priyamvada Natarajan, een astrofysicus aan de Yale University, zei in een verklaring . Bovendien kunnen verschillende nieuwe instrumenten – waaronder de James Webb Space Telescope die net is gelanceerd – gegevens produceren die nodig zijn om eindelijk het beroemde idee van Hawking te beoordelen. 

Gerelateerd: Stephen Hawking’s meest verre ideeën over zwarte gaten

Zwarte gaten vanaf het begin 

Donkere materie maakt meer dan 80% uit van alle materie in het universum, maar het heeft op geen enkele manier directe interactie met licht. Het zweeft gewoon rond omdat het enorm is en de zwaartekracht in sterrenstelsels beïnvloedt .

Het is verleidelijk om te denken dat zwarte gaten verantwoordelijk zijn voor dit ongrijpbare spul. Zwarte gaten zijn tenslotte beroemd donker, dus het vullen van een melkwegstelsel met zwarte gaten zou in theorie alle waarnemingen van donkere materie kunnen verklaren.

Helaas worden zwarte gaten in het moderne universum pas gevormd nadat massieve sterren zijn gestorven en vervolgens instorten onder het gewicht van hun eigen zwaartekracht. Voor het maken van zwarte gaten zijn dus veel sterren nodig – waarvoor een heleboel normale materie nodig is. Wetenschappers weten hoeveel normale materie er in het heelal zit uit berekeningen van het vroege heelal, waar de eerste waterstof en helium werden gevormd. En er is gewoon niet genoeg normale materie om alle donkere materie te maken die astronomen hebben waargenomen.

slapende reuzen 

Dat is waar Hawking zijn intrede deed. In 1971 suggereerde hij dat zwarte gaten zich vormden in de chaotische omgeving van de vroegste momenten van de oerknal. Daar konden deeltjes materie spontaan de dichtheden bereiken die nodig zijn om zwarte gaten te maken, en de kosmos ermee overspoelen ruim voordat de eerste sterren fonkelden. Hawking suggereerde dat deze “primordiale” zwarte gaten verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor donkere materie. Hoewel het idee interessant was, concentreerden de meeste astrofysici zich in plaats daarvan op het vinden van een nieuw subatomair deeltje om donkere materie te verklaren.

Bovendien stuitten modellen van primordiale vorming van zwarte gaten op waarnemingsproblemen. Als er in het vroege heelal te veel werden gevormd, veranderden ze het beeld van de overgebleven straling van het vroege heelal, bekend als de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Dat betekende dat de theorie alleen werkte als het aantal en de grootte van oude zwarte gaten vrij beperkt waren, anders zou het in strijd zijn met metingen van de CMB. .

Het idee werd nieuw leven ingeblazen in 2015 toen de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory zijn eerste paar botsende zwarte gaten vond. De twee zwarte gaten waren veel groter dan verwacht, en een manier om hun grote massa te verklaren was door te zeggen dat ze in het vroege heelal zijn gevormd, niet in de harten van stervende sterren.  

Een simpele oplossing 

In het laatste onderzoek hebben Natarajan, Nico Cappelluti van de Universiteit van Miami en Günther Hasinger van de European Space Agency een diepe duik genomen in de theorie van oer-zwarte gaten, waarbij ze onderzochten hoe ze de donkere materie zouden kunnen verklaren en mogelijk andere kosmologische uitdagingen zouden kunnen oplossen.

Om de huidige waarnemingstests te doorstaan, moeten oerzwarte gaten zich binnen een bepaald massabereik bevinden. In het nieuwe werk gingen de onderzoekers ervan uit dat de oerzwarte gaten een massa hadden van ongeveer 1,4 keer de massa van de zon. Ze construeerden een model van het universum dat alle donkere materie verving door deze vrij lichte zwarte gaten, en vervolgens zochten ze naar waarnemingsaanwijzingen die het model konden valideren (of uitsluiten).

Het team ontdekte dat oerzwarte gaten een belangrijke rol in het universum kunnen spelen door de eerste sterren, de eerste sterrenstelsels en de eerste superzware zwarte gaten (SMBH’s) te zaaien. Waarnemingen geven aan dat sterren, sterrenstelsels en SMBH’s zeer snel verschijnen in de kosmologische geschiedenis, misschien te snel om te worden verklaard door de vormings- en groeiprocessen die we in het huidige heelal waarnemen.

“Oorspronkelijke zwarte gaten, als ze al bestaan, zouden wel eens de zaden kunnen zijn waaruit alle superzware zwarte gaten ontstaan, inclusief die in het centrum van de Melkweg “, zei Natarajan.

En de theorie is eenvoudig en vereist geen dierentuin van nieuwe deeltjes om donkere materie te verklaren.

“Onze studie toont aan dat we zonder nieuwe deeltjes of nieuwe fysica te introduceren, mysteries van de moderne kosmologie kunnen oplossen, van de aard van donkere materie zelf tot de oorsprong van superzware zwarte gaten”, zei Cappelluti in de verklaring.

Tot nu toe is dit idee slechts een model, maar het is er een die relatief snel kan worden getest. De James Webb Space Telescope, die na jaren van vertraging op eerste kerstdag werd gelanceerd, is speciaal ontworpen om vragen over de oorsprong van sterren en sterrenstelsels te beantwoorden. En de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren, met name de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), staat op het punt om veel meer te onthullen over zwarte gaten, inclusief oorspronkelijke als ze bestaan.

Samen zouden de twee observatoria astronomen voldoende informatie moeten geven om het verhaal van de eerste sterren en mogelijk de oorsprong van donkere materie samen te stellen.

“Het was onweerstaanbaar om dit idee grondig te onderzoeken, wetende dat het de potentie had om vrij snel te worden gevalideerd”, zei Natarajan.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.

Auteur: Paul M. Sutter is een onderzoeksprofessor in astrofysica aan de SUNY Stony Brook University en het Flatiron Institute in New York City. Hij verschijnt regelmatig op tv en podcasts, waaronder ‘Ask a Spaceman’. Hij is de auteur van twee boeken, “Your Place in the Universe” en “How to Die in Space”, en levert regelmatig bijdragen aan Space.com, WordsSideKick.com en meer. Paul behaalde zijn doctoraat in de natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in 2011 en bracht drie jaar door aan het Instituut voor Astrofysica van Parijs, gevolgd door een onderzoeksbeurs in Triëst, Italië. 

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: