Badania teoretyczne sugerują, że małe czarne dziury powstałe we wczesnym wszechświecie mogły pozostawić po sobie puste planetoidy i mikroskopijne tunele, w związku z czym powinniśmy zacząć szukać ich w skałach i starych budynkach.
Nowe badania teoretyczne badają innowacyjne metody wykrywania pierwotnych czarnych dziur, sugerując, że sygnatury tych nieuchwytnych obiektów mogą obejmować puste planetoidy w przestrzeni kosmicznej lub mikroskopijne tunele w materiałach ziemskich. Badanie podkreśla minimalny koszt i znaczny potencjał tych metod w pogłębianiu naszej wiedzy o ciemnej materii.
Pierwotne czarne dziury
Kiedy myślisz o czarna dziura formując się, możesz sobie wyobrazić masywną gwiazdę wyczerpującą swoje paliwo i zapadającą się pod wpływem własnej grawitacji. Jednakże burzliwe warunki panujące we wczesnym Wszechświecie mogły stworzyć wiele małych czarnych dziur na długo przed powstaniem gwiazd.
Te „pierwotne czarne dziury” od dziesięcioleci są przedmiotem teorii naukowej. Niektórzy badacze sugerują, że mogą nawet odpowiadać za ciemną materię – tajemniczą, niewidzialną substancję, która stanowi 85% masy Wszechświata.
Pomimo tych teorii nigdy nie wykryto bezpośrednio żadnej pierwotnej czarnej dziury.
Odkrywanie nieznanego: metody wykrywania
Teraz nowe badanie prowadzone wspólnie przez naukowców z Uniwersytetu w Buffalo podchodzi kreatywnie do poszukiwań. Badanie proponuje szukać dowodów na istnienie tych czarnych dziur w dwóch bardzo różnych skalach: pustych planetoid w przestrzeni kosmicznej i maleńkich mikroskopijnych tuneli w materiałach codziennego użytku na Ziemi, takich jak skały, metal i szkło.
Ukaże się w grudniowym numerze miesięcznika Fizyka Mrocznego Wszechświata Teoretyczne badanie, dostępne obecnie w Internecie, zakłada, że pierwotna czarna dziura uwięziona w dużym skalistym obiekcie w kosmosie pochłonęłaby jej płynne jądro i pozostawiła je puste. Alternatywnie, szybsza pierwotna czarna dziura może pozostawić po sobie proste tunele wystarczająco duże, aby były widoczne pod mikroskopem podczas przejścia przez materię stałą, w tym materię znajdującą się tutaj na Ziemi.
„Szanse na znalezienie tych sygnatur są niewielkie, ale ich poszukiwanie nie wymagałoby dużych zasobów, a potencjalna nagroda w postaci pierwszego dowodu na istnienie pierwotnej czarnej dziury byłaby ogromna” – mówi współautor badania, dr Dejan Stojkovic , profesor fizyki w UB College of Arts and Sciences. „Musimy myśleć nieszablonowo, ponieważ to, co wcześniej zrobiono, aby znaleźć pierwotne czarne dziury, nie zadziałało”.
Badanie znaków kosmicznych i ziemskich
W badaniu obliczono, jak duża może być pusta w środku planetoida bez zapadnięcia się, a także prawdopodobieństwo przejścia pierwotnej czarnej dziury przez obiekt na Ziemi. (Jeśli martwisz się, że przejdzie przez ciebie pierwotna czarna dziura, nie martw się. Z badania wynika, że nie byłoby to śmiertelne).
„Ze względu na tak duże szanse skupiliśmy się na solidnych znakach, które istnieją od tysięcy, milionów, a nawet miliardów lat” – mówi współautor dr De-Chang Dai z National Dong Hwa University i Case Western Reserve University.
Prace Stojkovicia wsparła Narodowa Fundacja Nauki, a prace Daia wsparła Narodowa Rada ds. Nauki i Technologii (Tajwan).
Puste obiekty nie mogą być większe niż 1/10 powierzchni Ziemi
Gdy wszechświat szybko się rozszerzył po Wielki Wybuchobszary przestrzeni mogły być gęstsze niż ich otoczenie, co spowodowało ich zapadnięcie się i utworzenie pierwotnych czarnych dziur (PBH).
PBH miałyby znacznie mniejszą masę niż gwiezdne czarne dziury utworzone później przez umierające gwiazdy, ale nadal byłyby niezwykle gęste, jak masa góry zbitej w obszar wielkości atom.
Stojkovic, który wcześniej zaproponował, gdzie znaleźć teoretyczne tunele czasoprzestrzennezastanawiał się, czy PBH kiedykolwiek został uwięziony na planecie, księżycu lub asteroidzie, w trakcie lub po ich powstaniu.
„Jeśli obiekt ma ciekły rdzeń centralny, przechwycony PBH może wchłonąć ciekły rdzeń, którego gęstość jest większa niż gęstość zewnętrznej warstwy stałej” – mówi Stojkovic.
PBH mogłaby wówczas uciec z obiektu, gdyby w obiekt uderzyła asteroida, pozostawiając jedynie pustą skorupę.
Ale czy taka skorupa byłaby wystarczająco mocna, aby się utrzymać, czy też po prostu zapadłaby się pod własnym napięciem? Porównując wytrzymałość materiałów naturalnych, takich jak granit i żelazo, z napięciem powierzchniowym i gęstością powierzchniową, naukowcy obliczyli, że taki pusty obiekt może mieć nie więcej niż jedną dziesiątą promienia Ziemi, co sprawia, że jest bardziej prawdopodobne, że będzie to mniejsza planeta niż właściwa planeta. .
„Jeśli będzie większy, zawali się” – mówi Stojkovic.
Te puste obiekty można wykryć za pomocą teleskopów. Masę, a co za tym idzie i gęstość, można określić, badając orbitę obiektu.
„Jeśli gęstość obiektu jest zbyt mała w stosunku do jego rozmiarów, dobrze wskazuje to na to, że jest pusty” – mówi Stojkovic.
Przedmioty codziennego użytku mogą być detektorami czarnych dziur
W przypadku obiektów nieposiadających ciekłego rdzenia PBH mogą po prostu przejść i pozostawić prosty tunel – sugeruje badanie. Na przykład PBH o masie 1022 gramów – czyli 10 z 22 zerami – pozostawiłoby po sobie tunel o grubości 0,1 mikrona.
Duża płyta metalu lub innego materiału może służyć jako skuteczny wykrywacz czarnych dziur, monitorując ją pod kątem nagłego pojawienia się tych tuneli, ale Stojovic twierdzi, że większe szanse miałyby poszukiwania istniejących tuneli w bardzo starych materiałach – z budynków liczących setki lat. lat, po skały mające miliardy lat.
Mimo to, nawet zakładając, że ciemna materia rzeczywiście składa się z PBH, obliczyli, że prawdopodobieństwo przejścia PBH przez miliardoletni głaz wynosi 0,000001.
„Trzeba porównać koszty z korzyściami. Czy to dużo kosztuje? Nie, nie” – mówi Stojkovic.
Zatem prawdopodobieństwo, że PBH przejdzie przez ciebie w ciągu twojego życia, jest co najmniej małe. Nawet gdyby tak było, prawdopodobnie byś tego nie zauważył.
W przeciwieństwie do skały tkanka ludzka charakteryzuje się niewielkim napięciem, więc PBH nie rozerwie jej na kawałki. I chociaż energia kinetyczna PBH może być ogromna, nie może uwolnić dużej jej części podczas zderzenia, ponieważ porusza się zbyt szybko.
„Jeśli pocisk porusza się w ośrodku z prędkością większą niż prędkość dźwięku, struktura molekularna ośrodka nie ma czasu na reakcję” – mówi Stojkovic. „Rzuć kamień w okno, a prawdopodobnie się rozbije. Strzel w okno z pistoletu, prawdopodobnie zostanie po prostu dziura.
Nowe kierunki teoretyczne
Tego typu badania teoretyczne są kluczowe, mówi Stojkovic, zauważając, że wiele koncepcji fizycznych, które kiedyś wydawały się nieprawdopodobne, obecnie uważa się za prawdopodobne.
Pole to – dodaje Stojkovic – boryka się obecnie z poważnymi problemami, między innymi z ciemną materią. Ostatnie duże rewolucje – mechanika kwantowa i ogólna teoria względności – mają sto lat.
„Najmądrzejsi ludzie na świecie pracują nad tymi problemami od 80 lat i jeszcze ich nie rozwiązali” – mówi. „Nie potrzebujemy prostej rozbudowy istniejących modeli. Prawdopodobnie potrzebujemy zupełnie nowych ram.”
Odniesienie: „Poszukiwanie małych pierwotnych czarnych dziur na planetach, asteroidach i tutaj na Ziemi”, De-Chang Dai i Dejan Stojkovic, 19 września 2024 r., Fizyka Mrocznego Wszechświata.
DOI: 10.1016/j.dark.2024.101662
