Bagaimana lubang hitam purba dapat menjelaskan materi gelap

Mendaftarlah untuk buletin sains Wonder Theory CNN. Jelajahi alam semesta dengan berita tentang penemuan menarik, kemajuan ilmiah, dan banyak lagi.

CNN
—

Selama sekitar 50 tahun, komunitas ilmiah bergulat dengan masalah besar: tidak tersedia cukup materi kasat mata di alam semesta.

Semua materi yang dapat kita lihat – bintang, planet, debu kosmik, dan segala sesuatu di antaranya – tidak dapat menjelaskan mengapa alam semesta berperilaku seperti itu, dan jumlah materi di sekitar kita harus lima kali lebih banyak agar pengamatan para peneliti dapat dilakukan. masuk akal. Menurut NASA. Para ilmuwan menyebut zat ini materi gelap karena tidak berinteraksi dengan cahaya dan tidak terlihat.

Pada tahun 1970-an, astronom Amerika Vera Rubin dan… Kent Ford menemukan keberadaan materi gelap dengan mengamati bintang-bintang yang mengorbit di tepi galaksi spiral. Mereka mencatat bahwa bintang-bintang ini bergerak terlalu cepat untuk ditahan oleh materi dan gravitasi galaksi, dan seharusnya mereka malah terhempas. Satu-satunya penjelasan adalah bahwa ada sejumlah besar materi tak kasat mata yang menyatukan galaksi.

“Apa yang Anda lihat di galaksi spiral” kata Robin Pada saat itu, “bukan itu yang Anda dapatkan.” Karyanya mengandalkan hipotesis yang dirumuskan oleh astronom Swiss Fritz Zwicky pada tahun 1930-an, dan memulai pencarian materi yang sulit dipahami.

Sejak itu, para ilmuwan telah mencoba mengamati materi gelap secara langsung dan bahkan membangunnya Peralatan yang bagus Untuk menemukannya, namun sejauh ini, kami belum beruntung.

Pada awal penelitiannya, fisikawan terkenal Inggris Stephen Hawking berhipotesis bahwa materi gelap mungkin bersembunyi di lubang hitam – subjek utama karyanya – yang terbentuk selama big bang.

Sekarang, sebuah studi baru yang dilakukan oleh para peneliti dari MIT telah membawa teori tersebut kembali menjadi sorotan, mengungkap apa yang terbuat dari lubang hitam primordial ini, dan berpotensi menemukan jenis lubang hitam eksotis yang benar-benar baru dalam prosesnya.

“Ini benar-benar kejutan yang menyenangkan,” kata David Kaiser, salah satu penulis studi tersebut.

“Kami memanfaatkan perhitungan terkenal Stephen Hawking tentang lubang hitam, terutama hasil penting tentang radiasi yang dipancarkan lubang hitam,” kata Kaiser. “Lubang hitam aneh ini muncul karena upaya mengatasi masalah materi gelap. Lubang hitam ini merupakan produk sampingan dari penjelasan materi gelap.”

Para ilmuwan telah banyak menebak tentang apa itu materi gelap, mulai dari partikel yang tidak diketahui hingga dimensi ekstra. Namun teori Hawking tentang lubang hitam baru mulai berlaku belakangan ini.

“Orang-orang tidak menganggapnya serius sampai sekitar 10 tahun yang lalu,” kata rekan penulis studi Elba Alonso Monsalve, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT. “Hal ini karena lubang hitam dulunya tampak sangat tidak masuk akal. Pada awal tahun 1900-an, orang mengira lubang hitam hanyalah fakta matematis yang lucu, bukan fakta fisik.”

Kita sekarang tahu bahwa hampir setiap galaksi memiliki lubang hitam di pusatnya, demikian temuan peneliti Einstein Gelombang gravitasi Tercipta dari tabrakan lubang hitam pada tahun 2015 – sebuah penemuan penting – menunjukkan bahwa lubang hitam ada dimana-mana.

Faktanya, alam semesta penuh dengan lubang hitam, kata Alonso Monsalve. “Tetapi tidak ada partikel materi gelap yang ditemukan, meskipun orang telah mencari di semua tempat yang mereka perkirakan akan menemukannya. Ini tidak berarti bahwa materi gelap bukanlah sebuah partikel, atau bisa jadi itu adalah lubang hitam Namun kini, “Lubang hitam dianggap serius sebagai kandidat materi gelap.”

terakhir Studi modern Hipotesis Hawking dipastikan benar, namun karya Alonso Monsalvi dan Kaiser, seorang profesor fisika dan profesor sejarah sains di Institut Germshausen di MIT, melangkah lebih jauh dan menyelidiki apa sebenarnya yang terjadi ketika lubang hitam purba pertama kali muncul. terbentuk. .

itu diamyang diterbitkan pada tanggal 6 Juni di jurnal Physical Review Letters, mengungkapkan bahwa lubang hitam ini pasti muncul dalam seperlima juta detik pertama terjadinya Big Bang: “Ini masih sangat awal, jauh lebih awal daripada momen ketika proton dan neutron muncul. Kata Alonso Monsalve. “Molekul-molekul yang membentuk segala sesuatu telah terbentuk.”

Dia menambahkan bahwa dalam kehidupan kita sehari-hari, kita tidak dapat menemukan proton dan neutron yang terdisintegrasi, yang merupakan partikel elementer. Namun, kita tahu bahwa hal tersebut tidak terjadi, karena ia terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut quark, yang disatukan oleh partikel lain yang disebut gluon.

“Saat ini Anda tidak dapat menemukan quark dan gluon sendirian dan bebas di alam semesta, karena suhunya terlalu dingin,” tambah Alonso Monsalvi. “Tetapi pada awal Big Bang, ketika cuaca sangat panas, mereka dapat ditemukan sendiri dan bebas. Jadi lubang hitam purba terbentuk dari penyerapan quark dan gluon bebas.

Konfigurasi seperti itu akan membuatnya sangat berbeda dari lubang hitam astrofisika yang biasa diamati para ilmuwan di alam semesta, yang merupakan hasil dari runtuhnya bintang-bintang. Lubang hitam purba juga akan jauh lebih kecil, dengan rata-rata hanya massa asteroid yang terkondensasi menjadi seukuran satu atom. Namun jika lubang hitam primordial ini tidak menguap pada awal Big Bang dan bertahan hingga hari ini, maka lubang hitam tersebut mungkin bertanggung jawab atas seluruh atau sebagian besar materi gelap.

Saat lubang hitam purba terbentuk, jenis lubang hitam tak kasat mata lainnya pasti terbentuk sebagai produk sampingan, menurut penelitian tersebut. Ini akan lebih kecil, hanya satu blok A unicornterkondensasi menjadi kurang dari ukuran satu proton.

Lubang hitam kecil ini, karena ukurannya yang kecil, mampu menangkap sifat langka dan aneh dari sup quark-gluon tempat mereka terbentuk, yang disebut “muatan warna”. Ini adalah keadaan muatan yang terbatas pada quark dan gluon, dan tidak pernah ditemukan pada benda biasa, kata Kaiser.

Muatan warna ini menjadikannya unik di antara lubang hitam yang biasanya tidak bermuatan apa pun. “Tidak dapat dihindari bahwa lubang hitam yang lebih kecil ini juga akan terbentuk, sebagai produk sampingan (dari pembentukan lubang hitam purba), tetapi lubang hitam tersebut tidak akan ada lagi saat ini, karena mereka sudah menguap,” kata Alonso Monsalve.

Namun, jika jaraknya masih sekitar sepersepuluh juta detik dari Big Bang, ketika proton dan neutron terbentuk, maka hal tersebut mungkin akan meninggalkan jejak yang dapat diamati dengan mengubah keseimbangan antara kedua jenis partikel tersebut.

“Keseimbangan antara jumlah proton dan jumlah neutron yang tercipta sangat rumit, dan bergantung pada materi lain yang ada di alam semesta pada saat itu,” tambahnya. “Jika lubang hitam dengan muatan berwarna ini masih ada, maka hal itu akan terjadi dapat mengubah keseimbangan antara proton dan neutron.” (Untuk satu atau lainnya), yang cukup untuk mengukurnya dalam beberapa tahun ke depan.”

Pengukuran tersebut bisa berasal dari teleskop berbasis darat atau instrumen sensitif pada satelit yang mengorbit, kata Kaiser. Ia menambahkan, mungkin ada cara lain untuk memastikan keberadaan lubang hitam aneh tersebut.

“Pembentukan sekelompok lubang hitam adalah proses yang sangat kejam yang akan mengirimkan riak besar ke ruang-waktu di sekitarnya. Kecepatan ini akan berkurang seiring berjalannya sejarah kosmik, tetapi tidak sampai nol,” kata Kaiser detektor gravitasi dapat melihatnya.” “Sekilas tentang lubang hitam bermassa kecil – suatu keadaan materi eksotik yang merupakan produk sampingan tak terduga dari lubang hitam biasa yang dapat menjelaskan materi gelap saat ini.”

Apa artinya ini bagi eksperimen yang sedang berlangsung yang mencoba mendeteksi materi gelap, misalnya Eksperimen materi gelap LZ Di Dakota Selatan?

“Ide tentang partikel baru yang aneh masih menjadi hipotesis yang menarik,” kata Kaiser. Ada jenis eksperimen besar lainnya, beberapa sedang dibangun, mencari cara inovatif untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Ini mungkin sebenarnya menangkap beberapa sinyal menyimpang dari proses pembentukan lubang hitam primordial yang sangat kejam.

Alonso Monsalvi menambahkan, ada kemungkinan juga lubang hitam primordial hanyalah sebagian kecil dari materi gelap. “Tidak harus sama,” katanya. “Jumlah materi gelap lima kali lebih banyak daripada materi normal, dan materi normal terdiri dari sejumlah partikel berbeda. Jadi mengapa materi gelap harus menjadi salah satu jenis objek?”

Lubang hitam primordial mendapatkan kembali popularitasnya dengan ditemukannya gelombang gravitasi, namun hanya sedikit yang diketahui tentang pembentukannya, menurut Nico Capellotti, asisten profesor di Departemen Fisika di Universitas Miami. Dia tidak berpartisipasi dalam penelitian ini.

“Pekerjaan ini merupakan pilihan yang menarik dan layak untuk menjelaskan materi gelap yang sulit dipahami,” kata Capellotti.

Studi ini menarik dan menunjukkan mekanisme baru pembentukan lubang hitam generasi pertama, kata Priyamvada Natarajan, Profesor Astronomi dan Fisika Joseph S. dan Sophia S. Fruton di Universitas Yale. Dia juga tidak berpartisipasi dalam penelitian ini.

“Semua hidrogen dan helium di alam semesta kita saat ini tercipta dalam tiga menit pertama, dan jika jumlah lubang hitam purba yang ada pada saat itu sudah cukup, maka mereka akan mempengaruhi proses tersebut dan efek tersebut mungkin dapat dideteksi,” kata Natarajan. .

“Fakta bahwa ini adalah hipotesis yang dapat diuji secara observasi adalah hal yang menurut saya sangat menarik, terlepas dari fakta bahwa hal ini menunjukkan bahwa alam kemungkinan besar membuat lubang hitam dimulai dari masa paling awal melalui berbagai jalur.”