Dlaczego czarne dziury mogą stanowić całą ciemną materię

Ciemna materia to tajemnicza substancja, która według kosmologów wypełnia nasz Wszechświat. Dowodem na jego istnienie jest to, że nie ma wystarczającej widocznej masy, aby utrzymać razem galaktyki. Ale ponieważ galaktyki w oczywisty sposób nie rozpadają się, musi istnieć jakaś niewidzialna rzecz, jakaś brakująca masa, która generuje siły grawitacyjne utrzymujące je razem.

Ale z tym pomysłem jest problem. Właściwie to dwóch. Po pierwsze, najlepsze przypuszczenia fizyków dotyczące praw fizyki dają dobry opis wszystkich cząstek, które do tej pory odkryli, i kilku, które spodziewają się odkryć wkrótce. Problem polega na tym, że żadna z tych cząstek nie ma odpowiednich właściwości, aby być ciemną materią, tj. elektrycznie obojętna, długowieczna i wolno poruszająca się. Ale żadna ze znanych lub rozsądnie hipotezowanych cząstek nie pasuje do rachunku. Aby zrobić miejsce dla cząstki ciemnej materii, prawa fizyki muszą zostać zmienione w sposób, z którym wielu teoretyków czuje się niekomfortowo.

Po drugie, pomimo dekady spędzonej na poszukiwaniu ciemnej materii z eksperymentami kosztującymi dziesiątki milionów dolarów, nikt nie zwrócił na to uwagi. Większość fizyków uważa, że ​​te eksperymenty niczego nie znalazły: zip, zilch, zero.

Trudno oprzeć się wnioskowi, że potrzebne jest jakieś inne wyjaśnienie brakującej masy.

Wprowadź Paula Framptona z University of North Carolina i kilku kumpli. Sugestia Framptona jest taka, że ​​brakująca masa składa się z czarnych dziur, które są zbyt małe, aby można je było zobaczyć bezpośrednio, ale zbyt duże, aby wyparowały z powodu promieniowania Hawkinga.

Ale ten pomysł jest czymś więcej niż kolejnym dzikim domysłem. Frampton i kumple mają interesujący argument oparty na entropii, aby poprzeć swoje twierdzenie. To idzie tak.

Najpierw określają, jaka może być maksymalna entropia Wszechświata, wyobrażając sobie, że cały widzialny Wszechświat jest gigantyczną czarną dziurą. Odpowiedź okazuje się być 10^123, bardzo duża liczba. To jest górna granica tego, jaka może być entropia.

Następnie opracowują dolną granicę, dodając entropię we wszystkich znanych czarnych dziurach we wszechświecie. Opracowują to, zakładając, że w centrum każdej galaktyki znajduje się gigantyczna czarna dziura, co jest coraz powszechniej uznawane przez astrofizyków.

To daje liczbę 10^103, o wiele rzędów wielkości mniejszą.

To z pewnością duża entropia, ale Frampton i spółka, więc jest mało prawdopodobne, aby był głównym czynnikiem przyczyniającym się do naszego wszechświata. Każda supermasywna czarna dziura jest mniej więcej wielkości naszego Układu Słonecznego lub mniejsza i jest intuicyjnie mało prawdopodobne, aby zasadniczo cała entropia była tak skoncentrowana, mówi. Więc coś innego musi gdzieś generować entropię.

Nie może to być materia widzialna, ponieważ konwencjonalne obliczenia wskazują, że jej entropia sumuje się do zaledwie 10^88. Pozostała entropia brakującej ciemnej masy.

Jakiego rodzaju czarne dziury mogą być za to odpowiedzialne? Okazuje się, że każda czarna dziura o masie większej niż 10^6 mas Słońca spowodowałaby, że pobliska materia wpadłaby do niej spiralnie, zapobiegając powstawaniu galaktyk. Wszystko mniejsze niż 10^-8 mas Słońca wyparowałoby.

Zatem wniosek jest taki, że ciemna materia składa się z czarnych dziur o masie od 10^6 do 10^-8 mas Słońca.

Ale z tym pomysłem też jest problem. Jak te czarne dziury mogły powstać w tak dużej liczbie na początku Wszechświata. Coś musiało spowodować, że materia zbiła się w tej skali, tworząc czarne dziury. Ale nic nie wskazuje na to, jak mogło do tego dojść w obecnej teorii inflacji, która opisuje rozwój wczesnego Wszechświata.

to łatwe do rozwiązania, powiedzmy, Frampton i spółka: musiały być dwa okresy inflacji. Pierwszy z nich doprowadził do wielkoskalowej struktury Wszechświata, którą widzimy i którą zmierzono za pomocą statku kosmicznego, takiego jak WMAP. Drugie doprowadziło do zlepiania się, które stworzyło dużą liczbę średniej wielkości pierwotnych czarnych dziur.

To wyjaśnienie jest trochę łatwiejsze do przełknięcia niż to, w którym prawa fizyki muszą się zmienić, aby stworzyć nowe cząstki ciemnej materii. Ale tylko.

Jednak idee Framptona można lepiej przetestować, szukając dowodów na istnienie tych pierwotnych czarnych dziur, które powinny powodować zjawiska mikrosoczewkowania: tj. ich grawitacja powinna skupiać światło z gwiazd znajdujących się za nimi, tak jak jest to widziane z Ziemi.

Tego rodzaju pomiary stają się coraz łatwiejsze, więc powinno być możliwe przyjęcie lub odrzucenie pomysłów Framptona w niedalekiej przyszłości.

Odniesienia:

arxiv.org/abs/1003.3356 : Czarne dziury stanowią całą ciemną materię

arxiv.org/abs/1001.2308 : Pierwotne czarne dziury jako cała ciemna materia

ukryć