Karanlık madde: İlkel kara delikler uzun süredir devam eden bir gizemi nasıl açıklayabilir?

CNN’in Wonder Theory bilim bültenine kaydolun. Büyüleyici keşifler, bilimsel gelişmeler ve daha fazlasıyla ilgili haberlerle evreni keşfedin.

CNN
—

Yaklaşık 50 yıldır bilim camiası büyük bir sorunla boğuşuyor: Evrende yeterince görünür madde yok.

Görebildiğimiz tüm maddeler (yıldızlar, gezegenler, kozmik toz ve aradaki her şey) evrenin neden bu şekilde davrandığını açıklayamaz ve araştırmacıların gözlemlerinin yapılabilmesi için etrafımızda beş kat daha fazla madde olması gerekir. algı. NASA’ya göre. Bilim insanları bu maddeye karanlık madde adını veriyor çünkü ışıkla etkileşime girmiyor ve görünmez.

1970’lerde Amerikalı gökbilimciler Vera Rubin ve… Kent Ford, sarmal galaksilerin kenarlarında dönen yıldızlara bakarak karanlık maddenin varlığını keşfetti. Bu yıldızların galaksinin görünür maddesi ve yerçekimi tarafından bir arada tutulamayacak kadar hızlı hareket ettiklerini ve bunun yerine uçup gitmeleri gerektiğini belirttiler. Bunun tek açıklaması galaksiyi bir arada tutan büyük miktarda görünmez maddenin bulunmasıydı.

“Sarmal galakside gördükleriniz” Robin dedi ki O zamanlar, “aldığınız şey bu değil.” Çalışmaları, İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky’nin 1930’larda formüle ettiği bir hipoteze dayanıyordu ve bulunması zor maddeyi aramaya başladı.

O zamandan beri bilim insanları karanlık maddeyi doğrudan gözlemlemeye ve hatta onu inşa etmeye çalışıyorlar. Harika cihazlar Keşfetmek için ama şu ana kadar şansımız yaver gitmedi.

Araştırmanın başlarında ünlü İngiliz fizikçi Stephen Hawking, çalışmalarının ana konusu olan karanlık maddenin büyük patlama sırasında oluşan kara deliklerde saklanıyor olabileceğini öne sürdü.

Şimdi, MIT’den araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir çalışma, teoriyi yeniden gündeme getirerek bu ilkel kara deliklerin nelerden oluştuğunu ortaya çıkardı ve bu süreçte potansiyel olarak tamamen yeni bir tür egzotik kara delik keşfedebildi.

Araştırmanın yazarlarından biri olan David Kaiser, “Bu açıdan gerçekten hoş bir sürprizdi” dedi.

Kaiser, “Stephen Hawking’in kara deliklerle ilgili ünlü hesaplamalarından, özellikle de kara deliklerin yaydığı radyasyonla ilgili önemli sonuçlarından yararlanıyorduk” dedi. “Bu egzotik kara delikler, karanlık madde sorununu çözmeye çalışmaktan ortaya çıkıyor. Bunlar, karanlık madde açıklamasının bir yan ürünü.”

Bilim insanları, karanlık maddenin ne olduğuna dair bilinmeyen parçacıklardan ekstra boyutlara kadar pek çok tahminde bulundu. Ancak Hawking’in kara delikler hakkındaki teorisi ancak yakın zamanda yürürlüğe girdi.

MIT’de yüksek lisans öğrencisi olan çalışmanın yazarlarından Elba Alonso Monsalve, “İnsanlar belki 10 yıl öncesine kadar bunu ciddiye almıyordu” dedi. “Bunun nedeni, kara deliklerin bir zamanlar gerçekten abartılı görünmesiydi. 1900’lerin başında insanlar onların sadece fiziksel bir gerçek değil, sadece eğlenceli bir matematiksel gerçek olduğunu düşünüyordu.”

Einstein araştırmacıları, artık hemen hemen her galaksinin merkezinde bir kara delik bulunduğunu biliyoruz. Yerçekimi dalgaları 2015 yılında kara deliklerin çarpışmasıyla oluşturulan (dönüm noktası niteliğindeki bir keşif) onların her yerde olduğunu gösterdi.

Alonso Monsalve, “Aslında evren kara deliklerle dolu” dedi. “Fakat insanlar bulmayı umdukları her yere bakmasına rağmen karanlık madde parçacığı bulunamadı. Bu, karanlık maddenin bir parçacık olmadığı ya da kesinlikle kara deliklerin bir kombinasyonu olabileceği anlamına gelmiyor. Ama artık “Kara delikler, karanlık madde adayları olarak ciddiye alınıyor.”

son Modern çalışmalar Hawking’in hipotezinin doğru olduğu doğrulandı, ancak MIT Germshausen Enstitüsü’nde fizik profesörü ve bilim tarihi profesörü olan Alonso Monsalvi ve Kaiser’in çalışmaları bir adım daha ileri gidiyor ve ilkel kara delikler ilk kez ortaya çıktığında tam olarak ne olduğunu araştırıyor. oluşturulan. .

the Staj6 Haziran’da Physical Review Letters dergisinde yayımlanan araştırma, bu kara deliklerin büyük patlamanın saniyenin ilk beş milyonda biri sırasında ortaya çıkmış olması gerektiğini ortaya koyuyor: “Bu çok erken, proton ve nötronların ortaya çıktığı andan çok daha erken. Alonso Monsalve, “Her şeyi oluşturan moleküller oluştu” dedi.

Günlük yaşamımızda temel parçacıklar olan parçalanmış proton ve nötronları bulamadığımızı ekledi. Ancak öyle olmadığını biliyoruz çünkü kuark adı verilen daha küçük parçacıklardan oluşuyor ve gluon adı verilen diğer parçacıklar tarafından bir arada tutuluyor.

Alonso Monsalvi, “Artık evrende kuarkları ve gluonları tek başına ve özgür olarak bulamazsınız çünkü hava çok soğuk” diye ekledi. “Fakat Büyük Patlama’nın başlarında, hava çok sıcakken, tek başına ve serbest halde bulunabilirlerdi. Yani ilkel kara delikler, serbest kuarkların ve gluonların soğurulmasıyla oluşmuştu.

Böyle bir konfigürasyon onu, bilim adamlarının evrende genellikle gözlemlediği, yıldızların çökmesi sonucu oluşan astrofiziksel kara deliklerden kökten farklı kılacaktır. İlkel kara delik de çok daha küçük olacaktı; asteroitin kütlesi ortalama olarak bir atom boyutuna kadar yoğunlaşacaktı. Ancak, eğer bu ilkel kara deliklerden yeterincesi büyük patlamanın başlangıcında buharlaşmayıp günümüze kadar hayatta kalabilmişse, karanlık maddenin tamamından veya büyük bir kısmından sorumlu olabilirler.

Araştırmaya göre, ilkel kara delikler oluşurken, bir tür yan ürün olarak başka bir tür görünmez kara delik oluşmuş olmalı. Bu daha küçük olurdu, sadece bir A bloğu Gergedanbir protonun boyutundan daha küçük olacak şekilde yoğunlaşmıştır.

Bu küçük kara delikler, küçük boyutları nedeniyle, içinde oluştukları kuark-gluon çorbasının “renk yükü” adı verilen nadir ve tuhaf bir özelliğini yakalayabildiler. Kaiser, bunun kuarklar ve gluonlarla sınırlı olan ve hiçbir zaman sıradan nesnelerde bulunmayan bir yük durumu olduğunu söyledi.

Bu renk yükü, onu genellikle hiçbir yüke sahip olmayan kara delikler arasında benzersiz kılacaktır. Alonso Monsalve, “Bu daha küçük kara deliklerin de (ilkel kara deliklerin oluşumunun) bir yan ürünü olarak oluşmuş olması kaçınılmazdır, ancak bugün artık var olamazlar çünkü zaten buharlaşmış olacaklardır” dedi.

Ancak büyük patlamaya hâlâ saniyenin on milyonda biri kadar uzaklıkta olsaydı, protonlar ve nötronlar oluştuğunda, iki tür parçacık arasındaki dengeyi değiştirerek gözlemlenebilir parmak izleri bırakmış olabilirdi.

“Protonların sayısı ile yaratılan nötronların sayısı arasındaki denge çok hassastır ve o dönemde evrende başka hangi maddelerin mevcut olduğuna bağlıdır” diye ekledi “Eğer renkli yüklere sahip bu kara delikler hala etrafta olsaydı, öyle olurdu.” Protonlar ve nötronlar arasındaki dengeyi değiştirebiliriz.” (Biri ya da diğeri için), bu da önümüzdeki birkaç yıl içinde bunu ölçmek için yeterli.”

Kaiser, ölçümün yer tabanlı teleskoplardan veya yörüngedeki uydulardaki hassas cihazlardan gelebileceğini söyledi. Bu garip kara deliklerin varlığını doğrulamanın başka bir yolu olabileceğini de sözlerine ekledi.

Kaiser, “Bir kara delik kümesinin oluşumu, çevredeki uzay-zamana muazzam dalgalanmalar gönderecek son derece şiddetli bir süreçtir. Bu oranlar kozmik tarih boyunca azalacak, ancak sıfıra düşmeyecek” dedi. “Küçük kütleli kara deliklere kısa bir bakış; günümüzün karanlık maddesini açıklayabilecek, daha sıradan kara deliklerin beklenmedik bir yan ürünü olan, maddenin egzotik bir hali.”

Bu, karanlık maddeyi tespit etmeye çalışan devam eden deneyler için ne anlama geliyor? LZ karanlık madde deneyi Güney Dakota’da mı?

Kaiser, “Garip yeni parçacıklar fikri ilginç bir hipotez olmaya devam ediyor” dedi. Yerçekimi dalgalarını tespit etmenin yenilikçi yollarını arayan, bazıları yapım aşamasında olan başka türde büyük deneyler de var. Bunlar aslında ilkel kara deliklerin son derece şiddetli oluşum sürecinden bazı başıboş sinyalleri yakalayabilir.

Alonso Monsalvi, ilkel kara deliklerin karanlık maddenin sadece küçük bir kısmı olma ihtimalinin de bulunduğunu ekledi. “Aslında aynı olması gerekmiyor” dedi. “Normal maddeden beş kat daha fazla karanlık madde var ve normal madde bir sürü farklı parçacıktan oluşuyor. Peki neden karanlık madde tek tip bir nesne olmak zorunda?”

Miami Üniversitesi Fizik Bölümü’nde yardımcı doçent olan Nico Capellotti’ye göre, ilkel kara delikler yerçekimsel dalgaların keşfiyle yeniden popülerlik kazandı, ancak oluşumları hakkında çok az şey biliniyor. Araştırmaya katılmadı.

Capellotti, “Bu çalışma, bulunması zor karanlık maddeyi açıklamak için ilginç ve geçerli bir seçenek” dedi.

Yale Üniversitesi Astronomi ve Fizik Profesörü Joseph S. ve Sophia S. Fruton Priyamvada Natarajan, çalışmanın heyecan verici olduğunu ve ilk nesil kara deliklerin oluşumu için yeni bir mekanizma önerdiğini söyledi. Kendisi de araştırmaya katılmadı.

Natarajan, “Bugün evrenimizdeki tüm hidrojen ve helyum ilk üç dakikada yaratıldı ve eğer bu ilkel kara delikler o zaman bile yeterince mevcut olsaydı, bu süreci etkileyebilirlerdi ve bu etkiler tespit edilebilirdi.” dedi. .

“Bunun gözlemsel olarak test edilebilir bir hipotez olduğu gerçeği, gerçekten heyecan verici bulduğum bir şey; bunun, doğanın muhtemelen en eski zamanlardan başlayarak birden fazla yol yoluyla kara delikler oluşturduğunu öne sürmesi dışında.”