На каждый килограмм материи, которую мы можем видеть — от компьютера на вашем столе до далеких звезд и галактик — приходится 5 килограммов невидимой материи, которая наполняет наше окружение. Эта «темная материя» — загадочная сущность, которая ускользает от всех форм прямого наблюдения, но дает почувствовать свое присутствие через невидимое притяжение к видимым объектам.

Пятьдесят лет назад физик Стивен Хокинг предложил одну идею о том, чем может быть темная материя: популяция черных дыр, которая могла образоваться очень скоро после Большого взрыва.

Такие «первичные» черные дыры были бы не теми голиафами, которых мы обнаруживаем сегодня, а скорее микроскопическими областями сверхплотной материи, которые образовались бы в первую квинтиллионную долю секунды после Большого взрыва, а затем схлопнулись бы и рассеялись по космосу, притягивая друг друга. окружающие пространство-время способами, которые могли бы объяснить темную материю, которую мы знаем сегодня.

Теперь физики Массачусетского технологического института обнаружили, что этот первичный процесс также мог породить некоторых неожиданных спутников: еще меньшие черные дыры с беспрецедентным количеством ядерно-физического свойства, известного как «цветной заряд».

Эти самые маленькие, «сверхзаряженные» черные дыры представляли собой совершенно новое состояние материи, которая, вероятно, испарилась через долю секунды после своего появления. Тем не менее, они все же могли повлиять на ключевой космологический переход: время, когда были созданы первые атомные ядра.

Физики предполагают, что заряженные цветом черные дыры могли повлиять на баланс сливающихся ядер, что астрономы когда-нибудь смогут обнаружить с помощью будущих измерений. Такое наблюдение убедительно указало бы на то, что первичные черные дыры являются основой всей темной материи сегодня.

«Несмотря на то, что этих недолговечных экзотических существ сегодня не существует, они могли повлиять на космическую историю способами, которые сегодня могли бы проявиться в тонких сигналах», — говорит Дэвид Кайзер, профессор истории науки Гермесхаузена и профессор физики в Университете Гермесхаузена. Массачусетский технологический институт. «Идея о том, что вся темная материя может быть объяснена черными дырами, дает нам новые возможности для поиска».

Кайзер и его соавтор, аспирантка Массачусетского технологического института Эльба Алонсо-Монсальве, опубликовали свое исследование в журнале Physical Review Letters.

Время до звезд

Черные дыры, которые мы знаем и обнаруживаем сегодня, являются продуктом звездного коллапса, когда центр массивной звезды обрушивается сам на себя, образуя область настолько плотную, что она может искривлять пространство-время так, что все — даже свет — оказывается в ловушке внутри. . Такие «астрофизические» черные дыры могут быть от нескольких раз массивнее Солнца до многих миллиардов раз массивнее.

«Первобытные» черные дыры, напротив, могут быть намного меньше и, как полагают, образовались задолго до появления звезд. Ученые полагают, что еще до того, как Вселенная приготовила основные элементы, не говоря уже о звездах, карманы сверхплотной первичной материи могли накопиться и схлопнуться, образовав микроскопические черные дыры, которые могли быть настолько плотными, что могли сжать массу астероида в область размером в один атом. Гравитационное притяжение этих крошечных невидимых объектов, разбросанных по всей Вселенной, могло бы объяснить всю темную материю , которую мы не можем видеть сегодня.

Если бы это было так, то из чего были бы созданы эти первичные черные дыры? Это вопрос, который Кайзер и Алонсо-Монсальве рассмотрели в своем новом исследовании.

«Люди изучали, каким будет распределение масс черных дыр во время этого образования ранней Вселенной, но никогда не связывали это с тем, какие вещества попадали в эти черные дыры в то время, когда они формировались», — объясняет Кайзер.

Суперзаряженные носороги

Физики Массачусетского технологического института сначала изучили существующие теории вероятного распределения масс черных дыр, когда они впервые формировались в ранней Вселенной.

«Наше понимание заключалось в том, что существует прямая корреляция между временем формирования первичной черной дыры и ее массой», — говорит Алонсо-Монсальве. «И это окно времени абсурдно рано».

Она и Кайзер подсчитали, что первичные черные дыры должны были образоваться в течение первой квинтиллионной доли секунды после Большого взрыва. Эта вспышка времени могла бы породить «типичные» микроскопические черные дыры, массивные, как астероид, и маленькие, как атом. Это также привело бы к появлению небольшой доли экспоненциально меньших черных дыр с массой носорога и размером, намного меньшим, чем одиночный протон.

Из чего могли состоять эти первичные черные дыры ? Для этого они обратились к исследованиям, изучающим состав ранней Вселенной , и, в частности, к теории квантовой хромодинамики (КХД) — изучению того, как взаимодействуют кварки и глюоны.

Кварки и глюоны являются фундаментальными строительными блоками протонов и нейтронов — элементарных частиц , которые объединились, чтобы создать основные элементы таблицы Менделеева. Сразу после Большого взрыва физики подсчитали, основываясь на КХД, что Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую плазму кварков и глюонов, которые затем быстро охлаждались и объединялись, образуя протоны и нейтроны.

Исследователи обнаружили, что в течение первой квинтиллионной доли секунды Вселенная все еще представляла собой смесь свободных кварков и глюонов, которым еще предстояло объединиться. Любые черные дыры, образовавшиеся в это время, поглотили бы несвязанные частицы вместе с экзотическим свойством, известным как «цветной заряд» — состоянием заряда, которое несут только несвязанные кварки и глюоны.

«Как только мы выяснили, что эти черные дыры образуются в кварк-глюонной плазме, самое важное, что нам нужно было выяснить, это то, сколько цветового заряда содержится в сгустке материи, который в конечном итоге окажется в первичной черной дыре?» Говорит Алонсо-Монсальве.

Используя теорию КХД, они определили распределение цветового заряда, которое должно было существовать в горячей ранней плазме. Затем они сравнили это с размером области, которая схлопнется и превратится в черную дыру за первую квинтиллионную долю секунды. Оказывается, в то время в большинстве типичных черных дыр не было большого цветового заряда, поскольку они образовались путем поглощения огромного количества областей, которые имели смесь зарядов, что в конечном итоге привело бы к «нейтральному состоянию». » заряжать.

Но самые маленькие черные дыры были бы заполнены цветным зарядом. Фактически, согласно фундаментальным законам физики, они содержали бы максимальное количество зарядов любого типа, допустимое для черной дыры. Хотя гипотезы о таких «экстремальных» черных дырах выдвигались на протяжении десятилетий, до сих пор никто не обнаружил реалистичного процесса, посредством которого такие странности действительно могли образоваться в нашей Вселенной.

Сверхзаряженные черные дыры быстро испарились бы, но, возможно, только после того, как начали формироваться первые атомные ядра. По оценкам ученых, этот процесс начался примерно через секунду после Большого взрыва, что дало бы экстремальным черным дырам достаточно времени, чтобы нарушить условия равновесия, которые преобладали, когда начали формироваться первые ядра. Такие нарушения потенциально могут повлиять на формирование этих самых ранних ядер таким образом, что когда-нибудь это можно будет наблюдать.

«Эти объекты могли оставить некоторые захватывающие следы наблюдений», — размышляет Алонсо-Монсальве. «Они могли бы изменить баланс между тем и этим, и это то, о чем можно задуматься».