Kontroverzní záření černé díry poprvé popsané Stephenem Hawkingem mohlo změnit tvar vesmíru, studie náznaků
Teoretický jev navržený známým fyzikem Stephenem Hawkingem mohl změnit tvar vesmíru, navrhuje nový výzkum.
V 70. letech Hawking představil průkopnický koncept: Černé díry – tradičně považované za kosmické entity, které pohltit všechno v jejich okolí – může emitovat záření podobné způsobu, jakým to vytápěný objekt dělá. Tento jev, nyní známý jako Hawkingové zářeníZůstává teoretická kvůli minimálnímu emisnímu výkonu vypočtenému pro hvězdný a supermasivní černé díry.
Nedávná studie zveřejněná v Journal of Cosmology and Astročástice fyziky navrhuje, aby toto nepolapitelné záření mohlo výrazně ovlivnit časnou strukturu vesmíru. Vědci naznačují, že prvotní černé díry, předpokládané, že existovaly krátce po Velký třeskMožná vyzařoval intenzivní hawkingové záření a ponechalo detekovatelné otisky na vesmíru, které dnes pozorujeme.
„Zajímavou možností je, že raný vesmír prošel fází, ve které jeho energetickou hustotu dominoval prvotní černé díry, které se poté odpařovaly hawkingovým zářením,“ uvedli vědci ve své studii. „Jedná se o obecný důsledek ultralehkých prvotních černých děr (…), protože i malá počáteční hojnost takových objektů by rychle dominovala vesmíru, jak se rozšířila.“
Dešifrování hawkingového záření
Hawkingova semenná práce částečně sloučila matematické rámce generála relativita a Kvantová mechanika – Dvě základní teorie fyziky, které ještě musí být plně sjednoceny – prozkoumat fyziku černé díry. Zjistil, že černé díry, kdysi považovány za nevyhnutelné pasti, mohou ve skutečnosti emitovat částice, včetně fotonů (světlo).
Související: „Vesmír nám hodil curveball“: Největší mapa prostoru odhaluje
Důležité je, že míra emisí se snižuje se zvyšováním hmoty černé díry, což znamená, že černé díry, které se tvořily z kolapsujících hvězd, a také ty supermasivní, které ukotvují galaxie, by vyzařovaly tak slabě, že jejich hawkingové záření by nebylo možné zjistit se současnými nástroji.
Obecně se však věří, že v raném vesmíru se mohly vytvořit mnohem menší černé díry – každý s hmotností méně než 100 tun -. Tyto takzvané prvotní černé díry by emitovaly částice rychlostí dostatečně významné, aby ovlivnily kosmické struktury, jako jsou galaxie a klastry.
„Různé kosmologické scénáře předpovídají tvorbu černých děr v raném vesmíru,“ napsali autoři. „Například prvotní černé díry se mohly vytvořit z gravitačního kolapsu přehnaných oblastí.“
Zejména by hawkingové záření z těchto prvotních černých děr zahrnovalo všechny typy částic, včetně těch hypotetických částic, které slabě interagují se známými částicemi popsanými standardním modelem. To znamená, že takové záření by mohlo nabídnout jedinečnou cestu pro studium těchto nepolapitelných částic, které může být nemožné produkovat v akcelerátorech částic.
Zkoumání dopadu prvotních černých děr
Výzkumný tým, který využíval Einsteinovy obecné rovnice relativity, analyzoval různé částice s různými hmotami a otočením, aby určil jejich dopad na distribuci hmoty vesmíru. Například, pokud by bylo přítomno velké množství světelných, rychle se pohybujících částic, mohly by bránit tvorbě malých galaxií, protože takové částice by měly potíže s shromažďováním v dostatečném množství pro vytvoření hustých struktur. Tým také zkoumal další možné účinky, které tyto částice mohou mít.
„Pokud je některá z těchto částic stabilní a přetrvává dodnes, nazýváme je hawking relikvie,“ vysvětlili vědci ve svém příspěvku. „Hluboké relikvie hawkingů by přispěly k rozpočtu kosmického záření (…) a mohly by být detekovány v měření kosmického mikrovlnného pozadí.“
Vědci pečlivě zkoumali, jak by relikvie Hawking mohou ovlivnit současnou kosmickou strukturu. Ačkoli nenašli přímý důkaz o těchto relikviích, jejich analýza jim umožnila omezit vlastnosti jak částic, tak prvotních černých děr, které je mohly vyzařovat.
„Pokud by existoval smysluplný počet odpařujících se černých děr v období, kdy byla vytvořena první jádra, předpokládaný počet atomových jader ve vesmíru by byl nesprávný,“ napsali fyziky. „Vyžadujeme tedy, aby se před tímto obdobím odpařily prvotní černé díry, což nám dává horní hranici na jejich hmotnosti pěti set tun.“
Tým také prozkoumal hypotézu, že Hawking Relics by mohl představovat temnou hmotu, což představuje ve vesmíru přibližně 85% všech záležitostí. Jejich zjištění naznačují, že Hawking Relics nejsou dobrým zápasem Temná hmota.
„Omezujeme hojnost teplých relikvií Hawkingů, aby byly menší než ∼ 2% temné hmoty, i když prvotní černé díry vytvořily několik různých druhů relikvie částic,“ poznamenávají vědci.
Budoucí vyhlídky
Ačkoli současná pozorování nepotvrdila existenci Hawking Relics, vědci zůstávají optimističtí. Domnívají se, že nadcházející nástroje se zvýšenou přesností by mohly tyto relikvie detekovat, a tím ověřit existenci hawkingského záření a prvotních černých děr a umožnit experimentální studie jejich vlastností.
„Objev Hawking Relic by otevřel okno tepelnému stavu (raného) vesmíru (…),“ napsal tým. „To by bylo nejen důležité pro kosmologii časného vesmíru, ale také by to otevřelo novou hranici fyziky částic za standardní model a poskytlo první observační důkaz pro záření jestřáb, odpařování černých otvorů a prvotní černé díry.“
Stručně řečeno, zatímco hawkingové záření zůstává teoretickým konstruktem, jeho potenciální role při formování rané struktury vesmíru nabízí přesvědčivou cestu pro výzkum. Studie prvotních černých děr a jejich možných zbytků by mohla poskytnout hluboký vhled do fyziky kosmologie i částic, čímž přemohla mezery v našem chápání dětského dětství.
