Czarne dziury, które mogły narodzić się tuż po Wielkim Wybuchu
Pierwotne czarne dziury to hipotetyczne obiekty, których powstanie wiąże się z najwcześniejszymi etapami istnienia Wszechświata. Według rozważanych modeli mogły uformować się wskutek zapadania się szczególnie gęstych skupisk materii. Pod tym względem różniłyby się od czarnych dziur znanych astronomom, powstających w następstwie zapadania się masywnych gwiazd. Część teorii dopuszcza możliwość, że obiekty o wyjątkowo dużych masach mogłyby stanowić znaczący składnik ciemnej materii.
Hipotezę tę zweryfikował zespół kierowany przez Nicholasa Leistera z Mainz Institute for Theoretical Physics. Wyniki przeprowadzonych obliczeń pokazują, że nawet jeśli pierwotne czarne dziury rzeczywiście istnieją, ich udział w ciemnej materii nie mógłby być znaczący. Artykuł przedstawiający badanie ukazał się na łamach czasopisma „Physical Review Letters”.
Szacuje się, że ciemna materia odpowiada za około 85 proc. całkowitej ilości materii we Wszechświecie. Pomimo wieloletnich badań jej natura pozostaje nieznana. Wśród potencjalnych wyjaśnień rozważano między innymi pierwotne czarne dziury, których masa mogłaby przekraczać masę Słońca nawet 100 miliardów razy. Tak ekstremalne obiekty, określane w języku angielskim jako „stupendously large”, przewyższałyby masą nawet największe znane supermasywne czarne dziury zlokalizowane w centrach galaktyk.
Losowe rozmieszczenie czarnych dziur a ewolucja Wszechświata
Weryfikując tę koncepcję, naukowcy skupili się na sposobie rozmieszczenia hipotetycznych obiektów w przestrzeni. Założyli, że pierwotne czarne dziury występowałyby w niej przypadkowo, co oznaczałoby, że jedne regiony zawierałyby ich więcej, a inne mniej. Początkowo lokalne nadwyżki liczby czarnych dziur byłyby równoważone przez niewielkie niedobory promieniowania. Sytuacja zmieniałaby się jednak wraz z ekspansją Wszechświata. W miarę jak promieniowanie stawałoby się coraz rzadsze, pierwotna równowaga przestałaby obowiązywać. W poszczególnych regionach pojawiłyby się więc różnice w stosunku ilości ciemnej materii do promieniowania.
Badacze wyliczyli przewidywaną wielkość tych nierówności, a następnie zestawili ją z ograniczeniami wynikającymi z obserwacji mikrofalowego promieniowania tła (cosmic microwave background, CMB). Jest to pozostałość promieniowania z wczesnego Wszechświata, która dostarcza informacji o jego strukturze i ewolucji. Wyniki obliczeń pokazały również zależność między masą a liczebnością hipotetycznych czarnych dziur. Im większa byłaby masa pojedynczego obiektu, tym mniej liczebna musiałaby być cała populacja, a jej rozmieszczenie stawałoby się bardziej nierównomierne.
Obserwacje CMB ograniczają możliwy udział pierwotnych czarnych dziur
Z przeprowadzonej analizy wynika, że duża liczba tak masywnych obiektów powodowałaby zbyt wyraźne lokalne różnice między ilością ciemnej materii a promieniowaniem w różnych częściach Wszechświata.
Według astrofizyków przewidywane nierównomierności powinny pozostawić charakterystyczne sygnatury w mikrofalowym promieniowaniu tła. Nie zostały one jednak wykryte w obserwacjach. Otrzymane rezultaty osłabiają także przypuszczenie, że pierwotne czarne dziury mogły odegrać rolę w powstawaniu niezwykle masywnych galaktyk z wczesnego Wszechświata, które zaobserwował Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Kolejne obserwacje mogą zawęzić zakres możliwych wyjaśnień
W przyszłości dokładniejsze pomiary mikrofalowego promieniowania tła, prowadzone między innymi w ramach misji LiteBIRD oraz projektu Simons Observatory, mogą pozwolić na jeszcze precyzyjniejsze określenie maksymalnego udziału pierwotnych czarnych dziur w ciemnej materii.
Zespół zamierza również rozszerzyć analizę na obiekty o jeszcze większych masach. W tym celu naukowcy chcą poszukiwać fal grawitacyjnych, które mogły powstać podczas formowania się takich czarnych dziur. Dalsze badania mają pomóc w lepszym poznaniu natury ciemnej materii.
Mariusz Drzewiecki
