Czy pierwotne czarne dziury mają związek z ciemną materią?

Po lewej: zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Spitzer przedstawia promieniowanie podczerwone w Wielkiej Niedźwiedzicy. Po prawej: po zamaskowaniu wszystkich znanych gwiazd, galaktyk i artefaktów i podbiciu pozostałego promieniowania pojawia się nieregularne promieniowanie tła. To kosmiczne promieniowanie tła w podczerwieni (CIB); Poświata CIB jest bardziej nieregularna niż można to wytłumaczyć przez odległe, niezauważone galaktyki. Nadmiar struktury może być światłem wyemitowanym w czasach gdy Wszechświat miał mniej niż 1 miliard lat. Naukowcy uważają, że za to promieniowanie odpowiedzialne są pierwsze obiekty we Wszechświecie takie jak pierwsze gwiazdy i czarne dziury. Źródło: NASA/JPL-Caltech/A Kashlinsky (Goddard)

Po lewej: zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Spitzer przedstawia promieniowanie podczerwone w Wielkiej Niedźwiedzicy. Po prawej: po zamaskowaniu wszystkich znanych gwiazd, galaktyk i artefaktów i podbiciu pozostałego promieniowania pojawia się nieregularne promieniowanie tła. To kosmiczne promieniowanie tła w podczerwieni (CIB); Poświata CIB jest bardziej nieregularna niż można to wytłumaczyć przez odległe, niezauważone galaktyki. Nadmiar struktury może być światłem wyemitowanym w czasach gdy Wszechświat miał mniej niż 1 miliard lat. Naukowcy uważają, że za to promieniowanie odpowiedzialne są pierwsze obiekty we Wszechświecie takie jak pierwsze gwiazdy i czarne dziury. Źródło: NASA/JPL-Caltech/A Kashlinsky (Goddard)

 

Ciemna materia to tajemnicza substancja tworząca większość materii we Wszechświecie. Aktualnie naukowcy skłaniają się ku teorii mówiącej, że ciemna materia to pewnego rodzaju masywne cząstki egzotyczne. Dość intrygującą alternatywą dla tej teorii jest wytłumaczenie według którego ciemna materia składa się z czarnych dziur powstałych w pierwszej sekundzie istnienia naszego Wszechświata – tzw. pierwotnych czarnych dziur. Teraz naukowcy z NASA Goddard Space  Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland wskazują, że taka interpretacja zgadza się z naszą wiedzą o kosmicznym promieniowaniu tła w zakresie promieniowania podczerwonego i rentgenowskiego i może tłumaczyć nieoczekiwanie duże masy łączących się czarnych dziur wykrytych w zeszłym roku.

„Nasze badania stanowią próbę połączenia szerokiego zestawu idei z obserwacjami i sprawdzenia jak one do siebie pasują. Okazuje się, że pasują do siebie zaskakująco dobrze,” mówi Aleksander Kashlinsky, astrofizyk z NASA Goddard. „Jeżeli to prawda, to wszystkie galaktyki, włącznie z naszą, otoczone są w ogromnej sferze złożonej z czarnych dziur, z których każda ma masę ok. 30 mas Słońca.”

W 2005 roku Kashlinky kierował zespołem astronomów wykorzystującym Kosmiczny Teleskop Spitzer do badania podczerwonego promieniowania tła w jednym fragmencie nieba. Naukowcy donosili wtedy o niejednorodności promieniowania i doszli do wniosku, że promieniowanie pochodzi od pierwszych źródeł, które rozświetliły wszechświat 13 miliardów lat temu. Dalsze badania potwierdziły, że to kosmiczne promieniowanie tła w podczerwieni (CIB – cosmic infrared background) charakteryzuje się podobną, nieoczekiwaną strukturą w innych częściach nieba.

W 2013 roku w ramach kolejnych badań porównano  kosmiczne promieniowanie tła w zakresie rentgenowskim (CXB) wykryte przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra z CIB na tym samym obszarze nieba.  Pierwsze gwiazdy emitowały promieniowanie głównie w zakresie optycznym i ultrafioletowym, które dzisiaj jest już przesunięte w zakres podczerwieni, dlatego też nie mogą one znacząco przyczyniać się do CXB.

Mimo to nieregularne tło nisko-energetycznego promieniowania rentgenowskiego w CXB zgadzało się dość dobrze z nieregularnościami promieniowania CIB. Jedyny obiekt, o którym wiemy, że może być wystarczająco jasny w tak dużym zakresie energii, to czarna dziura. Zespół badaczy doszedł do wniosku, że pierwotne czarne dziury musiały bardzo licznie występować między pierwszymi gwiazdami, odpowiadając za co najmniej jedno na każde pięć źródeł przyczyniających się do CIB.

Natura ciemnej materii pozostaje jedną z najważniejszych nierozwiązanych zagadek astrofizyki. Naukowcy aktualnie skłaniają się ku modelom teoretycznym tłumaczącym ciemną materię jako egzotyczne masywne cząstki, jednak jak dotąd poszukiwania takich cząstek nie przyniosły żadnych efektów. NASA  zajmuje się tą kwestią w ramach misji Alpha Magnetic Spectrometer oraz Kosmicznego Teleskopu Fermi.

„Właśnie te badania dostarczają nam coraz dokładniejszych wyników, stopniowo zmniejszając zakres parametrów, w których mogą skrywać się cząstki ciemnej materii,” mówi Kashlinsky. „Niepowodzenie tych poszukiwań doprowadziło do zwiększenia zainteresowania badaniami nad tym w jaki sposób pierwotne czarne dziury – czarne dziury, które pojawiły się w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu – mogą tłumaczyć zjawisko ciemnej materii.”

Fizycy określili kilka sposobów na które gorący, gwałtownie rozszerzający się Wszechświat mógł wytworzyć pierwotne czarne dziury w pierwszych tysięcznych częściach pierwszej sekundy po Wielkim Wybuchu. Im starszy jest Wszechświat gdy zachodzą te mechanizmy, tym większe mogą być czarne dziury. Z uwagi na fakt, że okno na ich tworzenie trwa zaledwie ułamek pierwszej sekundy, naukowcy oczekują, że pierwotne czarne dziury będą mieściły się w wąskim zakresie mas.

14 września ubiegłego roku obserwatorium LIGO zarejestrowało fale grawitacyjne powstałe w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur 1,3 miliarda lat temu. To było pierwsze odkrycie fal grawitacyjnych jak również pierwsze bezpośrednie odkrycie czarnych dziur. Sygnał dostarczył naukowcom z projektu LIGO informacji o masach pojedynczych czarnych dziur – w tym wypadku było to 29 i 36 mas Słońca +/- 4 masy Słońca. Wartości te były nieoczekiwanie duże i zaskakująco podobne do siebie.

„W zależności od faktycznie zachodzących mechanizmów, pierwotne czarne dziury mogą mieć właściwości podobne do tych wykrytych przez LIGO,” tłumaczy Kashlinsky. „Jeżeli przyjmiemy, że tak jest, że LIGO zarejestrował łączenie się czarnych dziur powstałych we wczesnym Wszechświecie, możemy wyciągnąć sporo wniosków na temat konsekwencji jakie takie zdarzenia mają dla ewolucji Wszechświata.”

W swoim artykule opublikowanym wczoraj (24 maja) w periodyku Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analizuje co by było gdyby ciemna materia składała się z populacji czarnych dziur podobnych do tych wykrytych przez LIGO. Czarne dziury zaburzają rozkład masy we wczesnym Wszechświecie, dodając niewielkie fluktuacje, których efekty widoczne są setki milionów lat później, gdy zaczęły powstawać pierwsze gwiazdy.

Przez znaczną część pierwszych 500 milionów lat historii Wszechświata, normalna materia pozostawała zbyt gorąca, aby zacząć się ze sobą łączyć. Wysoka temperatura nie miała jednak wpływu na ciemną materię ponieważ ciemna materia oddziałuje przede wszystkim grawitacyjnie.  Łącząca się ciemna materia zapadała się w zagęszczenia zwane mini-halo, które z kolei mogły prowadzić do zagęszczania się normalnej materii. Gorący gaz opadający w kierunku mini-halo powodował powstawanie kieszeni gazu na tyle gęstych, aby mogły one kontynuować kolaps w nowe, pierwsze we Wszechświecie, gwiazdy. Kashlinsky wskazuje, że jeżeli czarne dziury odpowiadają za ciemną materię, ten proces zachodzi dużo szybciej i z łatwości prowadzi do niejednorodności CIB wykrytej w danych z teleskopu Spitzer, nawet jeżeli tylko z niewielkiej części mini-halo powstały gwiazdy.

Podczas gdy gaz opadał na mini-halo, część gazu przechwytywana była także przez leżące w ich środku czarne dziury. materia opadająca na czarną dziurę podgrzewa się i zaczyna emitować promieniowanie rentgenowskie. Połączenie promieniowania podczerwonego pierwszych gwiazd z promieniowaniem rentgenowskim gazu opadającego na czarne dziury zgadza się z obserwowanym podobieństwem niejednorodności w promieniowaniu CIB i CXB.

Od czasu do czasu, niektóre pierwotne czarne dziury na tyle się do siebie zbliżą, że powstaje układ podwójny czarnych dziur, który przez eony emituje promieniowanie grawitacyjne, traci energię i prowadzi do połączenia dwóch czarnych dziur w jedną większą. Tego typu zjawisko zarejestrowało właśnie obserwatorium LIGO.

„Przyszłe obserwacje prowadzone za pomocą LIGO powiedzą nam dużo więcej o populacji czarnych dziur we Wszechświecie, i powinniśmy dość szybko dowiedzieć się czy proponowany przeze mnie scenariusz jest prawidłowy czy nie,” mówi Kashlinsky.

Więcej informacji:

Źródło: NASA