Od początków dziejów Wszechświata minęło niemal 14 miliardów lat, a naukowcy wciąż próbują zrekonstruować, jak powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki. Nowe badania sugerują, że odpowiedź może kryć się w niezwykłych obiektach zwanych pierwotnymi czarnymi dziurami – hipotetycznych strukturach, które mogły powstać tuż po Wielkim Wybuchu. Ich istnienie mogło nie tylko przyspieszyć proces narodzin pierwszych gwiazd, ale także wpłynąć na ewolucję całego kosmosu oraz wyjaśnić zagadkę ciemnej materii.
Wspieraj Puls Kosmosu na Patronite.pl
Pierwotne czarne dziury (ang. primordial black holes) różnią się zasadniczo od tych, które znamy dziś – czyli czarnych dziur o masie gwiazdowej powstałych z zapadnięcia się masywnych gwiazd. Zgodnie z teorią, pierwotne czarne dziury mogły uformować się z ekstremalnych fluktuacji gęstości w bardzo młodym i gorącym Wszechświecie, jeszcze zanim pojawiły się pierwsze gwiazdy. To oznacza, że ich masa mogła sięgać od bardzo małych wartości aż po tysiące razy większe niż masa Słońca – a każde z tych założeń pociąga za sobą inne skutki dla rozwoju kosmicznej struktury.
Naukowcy pracujący pod kierownictwem Stefano Profumo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz przeprowadził zaawansowane symulacje komputerowe z użyciem oprogramowania GIZMO. Celem było sprawdzenie, jak różne masy i liczebność pierwotnych czarnych dziur mogły wpływać na formowanie się pierwszych gwiazd, znanych jako gwiazdy Populacji III. Wyniki tych analiz sugerują, że pierwotne czarne dziury mogły działać zarówno jako katalizatory, jak i przeszkody w tym procesie – wszystko zależało od ich konkretnych właściwości.
Duże pierwotne czarne dziury, o masie od około 1000 do 10 000 mas Słońca, mogły działać jak grawitacyjne „kotwice”. Przyciągały gaz i ciemną materię, wspomagając tworzenie się tzw. halo ciemnej materii – gęstych skupisk, w których rodzą się galaktyki i gwiazdy. Taki scenariusz mógłby wyjaśniać zaskakująco dojrzałe galaktyki obserwowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), które istniały już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Z drugiej strony, zbyt wiele takich masywnych czarnych dziur mogłoby przyspieszyć procesy kosmiczne do tego stopnia, że byłyby one niezgodne z obserwacjami. Z kolei pierwotne czarne dziury o mniejszej masie – poniżej 100 mas Słońca – mogłyby mieć odwrotny efekt. Ich zbiorcze oddziaływanie grawitacyjne mogłoby generować siły pływowe, które wzburzałyby i podgrzewały gaz, uniemożliwiając jego zapadanie się i tworzenie nowych gwiazd.
Pierwotne czarne dziury mogły odegrać pozytywną rolę w tworzeniu gwiazd tylko wtedy, gdy ich masa i liczebność były „w sam raz”. Zbyt duże, zbyt małe lub zbyt liczne – każde z tych rozwiązań prowadzi do niezgodności z dzisiejszym obrazem Wszechświata.
Konsekwencje tych ustaleń sięgają dalej niż sam proces narodzin gwiazd. Badanie dotyka również jednej z największych tajemnic współczesnej fizyki – natury ciemnej materii. Ta niewidzialna substancja, która nie emituje ani nie pochłania światła, stanowi aż 85% całej materii we Wszechświecie, a mimo to pozostaje niewykryta. Choć naukowcy od dekad poszukują egzotycznych cząstek tworzących ciemną materię, jak dotąd nie udało się ich zidentyfikować. To otwiera drzwi dla innych hipotez – w tym właśnie pierwotnych czarnych dziur.
Jeśli pierwotne czarne dziury rzeczywiście są składnikiem ciemnej materii, ich masa i liczebność musiałyby mieścić się w bardzo konkretnych granicach. Gdyby były zbyt masywne lub zbyt liczne, spowodowałyby intensywną i przedwczesną falę narodzin gwiazd. Gdyby były zbyt małe i zbyt powszechne – uniemożliwiłyby ich formowanie. Obserwacje astronomiczne mogą więc pomóc w wykluczaniu poszczególnych scenariuszy i zawężać krąg potencjalnych kandydatów na ciemną materię.
Choć pierwotne czarne dziury pozostają na razie teoretyczną koncepcją, ich wpływ na ewolucję kosmosu może być wykrywalny. Gdyby teleskopy – takie jak JWST lub przyszłe instrumenty – dostrzegły ślady formowania się gwiazd lub galaktyk znacznie wcześniej, niż przewidują obecne modele (nawet zaledwie 15 milionów lat po Wielkim Wybuchu), mogłoby to świadczyć o istnieniu pierwotnych czarnych dziur już w erze tzw. „kosmicznego świtu” – czyli okresu między 100 a 200 milionów lat po narodzinach Wszechświata.
Zespół badawczy planuje kontynuować swoje prace, poszerzając zakres symulacji o bardziej realistyczną mieszankę mas pierwotnych czarnych dziur, zamiast zakładać jednorodność. Celem jest jeszcze dokładniejsze modelowanie narodzin pierwszych gwiazd i galaktyk oraz określenie, jak pierwotne czarne dziury mogły wpłynąć na ewolucję wczesnego Wszechświata – a być może również na jego dalsze losy.
Źródło: arXiv