Teleskop rzymski szuka pierwotnych czarnych dziur

NASANancy Grace Rzymski teleskop kosmiczny Może ujawnić niewykryte wcześniej „piórkowe” czarne dziury o masach podobnych do masy Ziemi. Te pierwotne czarne dziury, które powstały na początku Wszechświata, mogą znacząco wpłynąć na nasze zrozumienie astronomii i fizyki cząstek elementarnych, potencjalnie wyjaśniając część ciemnej materii we wszechświecie.

Astronomowie odkryli czarne dziury o masach od kilku mas Słońca do dziesiątek miliardów. Teraz grupa naukowców przewidziała, że ​​rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace należący do NASA będzie w stanie znaleźć klasę czarnych dziur o wadze piórkowej, która do tej pory wymykała się odkryciu.

Obecnie czarne dziury powstają albo w wyniku zapadnięcia się masywnej gwiazdy, albo w wyniku połączenia masywnych obiektów. Naukowcy podejrzewają jednak, że mniejsze „pierwotne” czarne dziury, w tym niektóre o masach podobnych do mas Ziemi, mogły powstać w pierwszych chaotycznych momentach wczesnego Wszechświata.

„Odkrycie populacji pierwotnych czarnych dziur o masie Ziemi byłoby niesamowitym krokiem zarówno dla astronomii, jak i fizyki cząstek elementarnych, ponieważ obiekty te nie mogły powstać w wyniku żadnego znanego procesu fizycznego” – powiedział William DiRocco, badacz ze stopniem doktora na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Fe. Cruz, który prowadził badania nad tym, jak Rzymianie je wykrywali. Artykuł opisujący wyniki Został on opublikowany w czasopiśmie Przegląd fizyczny d. „Jeśli je znajdziemy, wstrząśnie to dziedziną fizyki teoretycznej”.

Odkrycie pierwotnych czarnych dziur o masie Ziemi za pomocą rzymskiego teleskopu kosmicznego NASA może zmienić nasze rozumienie wszechświata i ciemnej materii. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA

Pierwotny przepis na czarną dziurę

Najmniejsze czarne dziury, które powstają dzisiaj, powstają, gdy masywnej gwieździe kończy się paliwo. Jego ciśnienie zewnętrzne maleje wraz ze spadkiem syntezy jądrowej, więc wewnętrzna grawitacja wygrywa przeciąganie liny. Gwiazda kurczy się i może stać się tak gęsta, że… Czarna dziura.

Wymagana jest jednak minimalna masa: co najmniej ośmiokrotność masy naszego Słońca. Lżejsze gwiazdy zamienią się albo w białe karły, albo w gwiazdy neutronowe.

Jednak warunki panujące we wczesnym Wszechświecie mogły pozwolić na powstanie znacznie lżejszych czarnych dziur. Osoba ważąca masę Ziemi miałaby horyzont zdarzeń – punkt, z którego nie ma powrotu dla spadających obiektów – o szerokości mniej więcej dolara amerykańskiego.

Naukowcy uważają, że tuż po narodzinach Wszechświata przeszedł on krótką, ale intensywną fazę zwaną inflacją, gdy przestrzeń rozszerzała się szybciej niż prędkość światła. W tych szczególnych warunkach obszary, które były gęstsze niż otaczające je obszary, mogły zapaść się, tworząc pierwotne czarne dziury o małej masie.

Choć teoria przewiduje, że najmniejsze z nich musiałyby wyparować, zanim Wszechświat osiągnął swój obecny wiek, przetrwałyby te o masach podobnych do Ziemi.

Odkrycie tych małych obiektów będzie miało ogromny wpływ na fizykę i astronomię.

„Będzie to miało wpływ na wszystko, od powstawania galaktyk, przez zawartość ciemnej materii we Wszechświecie, po historię kosmosu” – powiedział Kailash Sahu, astronom z Space Telescope Science Institute w Baltimore, który nie był zaangażowany w badania. „Potwierdzenie ich tożsamości będzie ciężką pracą, a astronomowie będą potrzebowali dużo przekonywania, ale będzie warto”.

Stephen Hawking wysunął hipotezę, że czarne dziury mogą powoli kurczyć się w miarę ucieczki promieniowania. Powolny wyciek tak zwanego promieniowania Hawkinga z czasem spowoduje, że czarna dziura po prostu wyparuje. Ta infografika przedstawia szacowany czas życia i horyzonty zdarzeń – punkt, powyżej którego spadające obiekty nie mogą już uciec z uścisku grawitacyjnego czarnej dziury – oraz średnice czarnych dziur o różnych małych masach. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA

Wskazówki od ukrytych właścicieli domów

Obserwacje dostarczyły już dowodów na to, że takie obiekty mogą czaić się w naszej galaktyce. Pierwotne czarne dziury mogą być niewidoczne, ale zmarszczki w czasoprzestrzeni pomogły złapać kilku potencjalnych podejrzanych.

Mikrosoczewkowanie to efekt obserwacyjny spowodowany obecnością masy zniekształcającej strukturę czasoprzestrzeni, przypominającą ślad pozostawiony przez kulę do kręgli umieszczoną na trampolinie. Za każdym razem, gdy z naszej perspektywy wydaje się, że obiekt dryfuje blisko gwiazdy tła, światło gwiazdy musi przemierzać zakrzywioną czasoprzestrzeń wokół obiektu. Jeśli ustawienie jest szczególnie bliskie, obiekt może działać jak naturalna soczewka, skupiając i wzmacniając światło gwiazdy tła.

Oddzielne grupy astronomów odkryły go, korzystając z danych z MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – współpracy, która prowadzi obserwacje mikrosoczewkowania za pomocą Obserwatorium Uniwersytetu Mount John w Nowej Zelandii – i OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Nieoczekiwanie duża liczba izolowanych obiektów o masie Ziemi.

Teorie powstawania i ewolucji planet przewidują pewne masy i liczebność planet zbójeckich — światów wędrujących po galaktyce, nie związanych z gwiazdą. Obserwacje MOA i OGLE wskazują, że przez galaktykę dryfuje więcej obiektów o masie Ziemi, niż przewidują modele.

Koncepcja tego artysty opiera się na fantastycznym podejściu do wyobrażania sobie małych, pierwotnych czarnych dziur. W rzeczywistości takie małe czarne dziury miałyby trudności z utworzeniem dysków akrecyjnych, dzięki którym są tutaj widoczne. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA

„Nie ma możliwości rozróżnienia pomiędzy czarnymi dziurami o masie Ziemi a planetami samotnymi w poszczególnych przypadkach” – powiedział DiRocco. Naukowcy spodziewają się jednak, że Roman znajdzie wiele obiektów w tym zakresie mas dziesięć razy większych niż teleskopy naziemne. „Roman byłby bardzo skuteczny w statystycznym rozróżnieniu między nimi”.

DiRocco kierował wysiłkami mającymi na celu ustalenie, ile planet musiałoby znajdować się w tym zakresie mas i ile pierwotnych czarnych dziur Rzymianie mogliby wśród nich rozróżnić.

Znalezienie pierwotnych czarnych dziur ujawniłoby nowe informacje na temat bardzo wczesnego Wszechświata i zdecydowanie sugerowałoby, że wczesny okres inflacji już miał miejsce. Może to również wyjaśniać niewielki procent tajemniczej ciemnej materii, która według naukowców stanowi większość masy Wszechświata, ale której nie udało im się jeszcze zidentyfikować.

„To ekscytujący przykład tego, co więcej naukowców może zrobić z danymi, którymi Roman będzie już dysponował podczas swoich poszukiwań planetarnych” – powiedział Sahu. „Wyniki są interesujące, niezależnie od tego, czy naukowcy znajdą dowody na istnienie czarnych dziur o masie Ziemi, czy nie. W obu przypadkach poszerzyłoby to naszą wiedzę o Wszechświecie”.

Odniesienie: „Wykrywanie pierwotnych czarnych dziur o masie Ziemi za pomocą rzymskiego teleskopu kosmicznego Nancy Grace” autorstwa Williama DiRocco, Evana Frangipaniego, Nicka Hammera, Stefano Profumo i Nolana Smitha, 8 stycznia 2024 r., Przegląd fizyczny d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace jest obsługiwany w należącym do NASA Centrum Lotów Kosmicznych Goddard w Greenbelt w stanie Maryland przy udziale Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA, Caltech/IPAC w południowej Kalifornii, Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego w Baltimore oraz zespołu naukowego, w skład którego wchodzą naukowcy z dookoła świata. Instytuty badawcze. Główni partnerzy przemysłowi to BAE Systems, Inc. z Boulder w Kolorado; L3Harris Technologies w Rochester, Nowy Jork; oraz Teledyne Scientific & Imaging w Thousand Oaks w Kalifornii.