Exotické černé díry by mohly být vedlejším produktem temné hmoty, navrhují fyzikové z MIT

V první kvintiliontině sekundy mohly ve vesmíru vzniknout mikroskopické černé díry s obrovským množstvím jaderného náboje, navrhují fyzikové z MIT.

Na každý kilogram hmoty, kterou můžeme vidět (od počítače na vašem stole až po vzdálené hvězdy a galaxie), připadá 5 kilogramů neviditelné hmoty, která dusí naše okolí. Tato „temná hmota“ je záhadná entita, která uniká všem formám přímého pozorování, ale přesto dává najevo svou přítomnost prostřednictvím neviditelného působení na viditelné objekty.

Před padesáti lety fyzik Stephen Hawking nabídl jednu myšlenku, co by mohla být temná hmota: populace černých děr, které mohly vzniknout velmi brzy po velkém třesku. Takové „primordiální“ černé díry by nebyly goliáši, které detekujeme dnes. Přesto by se jednalo spíše o mikroskopické oblasti ultrahusté hmoty, které by vznikly v první kvintiliontině sekundy po velkém třesku a poté by se zhroutily a rozptýlily po vesmíru, přičemž by se přetahovaly o okolní časoprostor způsobem, který by mohl vysvětlit temnou hmotu, kterou známe dnes.

Fyzici z MIT nyní zjistili, že tento prvotní proces by také vytvořil nečekané společníky: ještě menší černé díry s nebývalým množstvím jaderně-fyzikální vlastnosti známé jako „barevný náboj“.

Tyto nejmenší „supernabité“ černé díry by byly zcela novým stavem hmoty, která se pravděpodobně vypařila zlomek sekundy po svém vzniku. Přesto mohly ovlivnit klíčový kosmologický přechod: dobu, kdy vznikla první atomová jádra. Fyzici předpokládají, že barevně nabité černé díry mohly ovlivnit rovnováhu slučování jader způsobem, který by astronomové mohli jednou odhalit pomocí budoucích měření. Takové pozorování by přesvědčivě ukázalo na primordiální černé díry jako na zdroj veškeré dnešní temné hmoty.

„Přestože tyto krátkodobé exotické útvary dnes neexistují, mohly ovlivnit historii vesmíru způsobem, který by se dnes mohl projevit v jemných signálech,“ říká David Kaiser, profesor historie vědy a profesor fyziky na MIT. „V rámci představy, že veškerá temná hmota by mohla být vysvětlena černými dírami, nám to dává nové podněty k hledání.“

Kaiser a jeho spoluautor, postgraduální student MIT Elba Alonso-Monsalve, publikovali svou studii v časopise Physical Review Letters.

Doba před hvězdami

Černé díry, které dnes známe a detekujeme, jsou výsledkem hvězdného kolapsu, kdy se střed masivní hvězdy zhroutí sám do sebe a vytvoří oblast tak hustou, že dokáže ohnout časoprostor tak, že v něm uvízne cokoli – dokonce i světlo. Takové „astrofyzikální“ černé díry mohou mít hmotnost od několikanásobku hmotnosti Slunce až po mnohamiliardkrát větší.

Naproti tomu „primordiální“ černé díry mohou být mnohem menší a předpokládá se, že vznikly v době před vznikem hvězd. Vědci se domnívají, že ještě předtím, než se ve vesmíru vytvořily základní prvky, natož hvězdy, se mohly nahromadit skupiny ultrahusté primordiální hmoty, které se zhroutily a vytvořily mikroskopické černé díry, jež mohly být tak husté, že dokázaly vtěsnat hmotnost asteroidu do oblasti o velikosti jednoho atomu. Gravitační přitažlivost těchto malých, neviditelných objektů rozptýlených po celém vesmíru by mohla vysvětlit veškerou temnou hmotu, kterou dnes nemůžeme vidět.

Pokud by tomu tak bylo, z čeho by pak byly tyto prvotní černé díry vyrobeny? To je otázka, kterou si Kaiser a Alonso-Monsalve položili ve své nové studii.

„Lidé studovali, jaké by bylo rozložení hmotností černých děr během této tvorby raného vesmíru, ale nikdy to nespojili s tím, jaké látky by do těchto černých děr spadly v době jejich vzniku,“ vysvětluje Kaiser.

Fyzici z MIT zjistili, že primordiální černé díry se vytvořily během prvního kvintiliontého zlomku sekundy po Velkém třesku. Typické byly hmotné jako asteroid a malé jako atom, zatímco menšina měla hmotnost jako nosorožec a velikost menší než proton.

Pomocí teorie kvantové chromodynamiky (QCD) zjistili, že raný vesmír byl horkou plazmou kvarků a gluonů. Černé díry, které se v této době vytvořily, pohltily tyto částice a získaly exotický barevný náboj.

Nejmenší černé díry měly maximální množství barevného náboje. Profesor Bernard Carr z Queen Mary University of London označil tento objev za „vzrušující“. Super-nabité černé díry by mohly ovlivnit formování prvních atomových jader a zanechat pozorovatelné stopy ve vesmíru.

Zdroje článku:

Článek může obsahovat dodatečné informace od redakce.