Găurile negre primordiale (PBH), despre care se crede că s-au format imediat după Big Bang, ar putea să se încălzească și să explodeze în tot universul.
Aceste explozii de găuri negre, alimentate de radiația Hawking – un proces cuantic în care găurile negre generează particule din vid datorită câmpurilor gravitaționale intense – ar putea fi detectate de viitoarele telescoape, sugerează fizicienii într-un nou studiu. Și, odată reperate, aceste explozii exotice ar putea dezvălui dacă universul nostru conține particule nedescoperite anterior.
Găuri negre din zorii timpului
Există deja o mulțime de dovezi pentru existența găurilor negre, cu o masă de câteva ori mai mare decât soarele de miliarde de ori masa soarelui. Aceste găuri negre au fost detectate direct prin undele gravitaționale pe care le emit în timpul fuziunilor care le ajută să crească. Unele găuri negre, cum ar fi Săgetătorul A* al Căii Lacteeau fost chiar fotografiate direct ca „umbre” de către Telescopul Event Horizon.
PBH, propuse pentru prima dată de Yakov Zeldovich și Igor Novikov în 1967, se crede că s-au format în primele fracțiuni de secundă după Big Bang-ul și poate să fi fost la fel de mici ca particulele subatomice, potrivit NASA. Spre deosebire de omologii lor mai mari, care se formează din prăbușirea stelelor și galaxiilor masive, PBH-urile ar fi putut apărea din prăbușirea regiunilor ultradense din „supa primitivă” extrem de fierbinte a particulelor din universul timpuriu.
Dacă există, aceste obiecte compacte ar putea oferi o explicație naturală pentru materie întunecatăentitatea invizibilă care reprezintă aproximativ 85% din materia din univers. Cu toate acestea, PBH-urile rămân evazive. Existența lor teoretică este susținută de o combinație de modele cosmologice, dar încă nu au fost observate direct.
Efectul radiației Hawking
Unul dintre cele mai interesante aspecte ale PBH este conexiunea lor cu radiația Hawking. Conform teoria cuanticăgăurile negre nu sunt complet „negre”; pot emite radiații și pot pierde încet masa printr-un proces teoretizat mai întâi de Stephen Hawking. Această emisie, cunoscută sub numele de radiație Hawking, are loc atunci când perechile de particule virtuale ies și ies din vidul spațiului lângă marginea unei găuri negre – „orizontul său de evenimente”. În timp ce aceste perechi se anihilează în mod normal una pe cealaltă, dacă una cade în gaura neagră, cealaltă particulă poate scăpa sub formă de radiație. În timp, aceasta duce la evaporarea treptată a găurii negre.
„Pentru găurile negre cu mase mai mari de câteva ori mai mari decât cele ale Soarelui, radiația Hawking este aproape nedetectabilă.” Marco Calzaun fizician teoretician la Universitatea din Coimbra din Portugalia și coautor al studiului, a declarat Live Science într-un e-mail. „Dar găurile negre mai ușoare – cum ar fi PBH-urile – ar fi mult mai fierbinți și ar emite mult mai multe radiații, permițându-ne potențial să detectăm acest proces. Această radiație poate include o varietate de particule, de la fotoni la electroni la neutrini”.
Pe măsură ce PBH se evaporă, își pierde masă, devenind mai fierbinte și emițând mai multă radiație într-o buclă de feedback. În cele din urmă, gaura neagră ar trebui să explodeze într-o explozie puternică de radiații – un proces pe care telescoapele existente cu raze gamma și neutrini îl caută în mod activ. Deși nu au fost detectate încă explozii definitive de PBH, noul studiu sugerează că aceste evenimente rare ar putea fi cheia pentru deblocarea unei noi fizici.
Sondarea momentelor finale ale unui PBH
În studiul lor recent, publicat în Journal of High Energy PhysicsCalzà și co-autorul studiului João G. Rosa, de asemenea, un fizician teoretician la Universitatea din Coimbra, au introdus metode inovatoare pentru studiul PBH-urilor în timpul etapelor lor finale de evaporare. Analizând proprietățile radiației lor Hawking, cei doi au dezvoltat instrumente pentru a estima masa și spin-ul unui PBH.
„Urmărirea masei și rotației unui PBH pe măsură ce se evaporă ar putea oferi indicii valoroase despre formarea și evoluția sa”, a spus Rosa pentru Live Science într-un e-mail.
Munca lor are implicații semnificative pentru fizica fundamentală. Într-un studiu anterior, Rosa, Calzà și colaboratorul John March-Russell de la Universitatea din Oxford au explorat modul în care teoria corzilor — o încercare de a unifica forțele fundamentale ale naturii într-o singură teorie cuantică — ar putea afecta o PBH în evaporare. Teoria corzilor prezice existența a numeroase particule de masă mică numite axioni, care nu au spin intrinsec. Cercetările lor au sugerat că emisia de axioni ar putea de fapt susține un PBH, contrar predicțiilor lui Hawking.
„O PBH care se rotește ar oferi dovezi convingătoare pentru aceste axioni exotice, potențial revoluționând înțelegerea noastră despre fizica particulelor”, a spus Calzà.
Mai mult, studiul sugerează că analiza evoluției masei și spinului unui PBH în momentele sale finale ar putea dezvălui existența altor particule noi. Urmărind spectrul radiațiilor Hawking, oamenii de știință ar putea fi capabili să facă distincția între modelele de fizică a particulelor de înaltă energie. Telescoapele neutrino, cum ar fi IceCube, ar putea ajuta chiar la descoperirea acestor noi particule pe măsură ce PBH-urile explodează în spațiu.
„Dacă putem prinde doar un PBH care explodează și să-i măsurăm radiația Hawking, am putea afla o mulțime de noi particule și am putea ghida proiectarea viitorilor acceleratori de particule”, a spus Rosa.
Deși nu a fost detectată încă nicio PBH explozivă, instrumentele și metodele dezvoltate de echipa lui Calzà și Rosa ar putea deschide calea pentru descoperiri viitoare. Cercetătorii au subliniat că experimentele dedicate ar putea să nu fie necesare, deoarece mai multe telescoape noi cu raze gamma și neutrini cu o sensibilitate fără precedent sunt deja în dezvoltare.
„Telescoapele viitoare ar putea observa cu ușurință unul dacă explodează în apropiere. Dacă avem norocul să detectăm un PBH care explodează, ar putea schimba tot ceea ce știm despre legile fundamentale ale naturii”, a spus Rosa.