Pomiary dokonywane przez astrofizyków od ponad pół wieku wskazują, że Wszechświat w ryzach trzyma niewidoczna materia. Gdyby nie ona, wirujące galaktyki już dawno powinny się rozpaść pod wpływem siły odśrodkowej. Nie powinny istnieć też większe od nich gromady i supergromady galaktyk.

Ponieważ jej nie widać, nazwano ją ciemną materią. Z wielu wyliczeń wynika, że jest jej nawet pięć razy więcej niż zwykłej materii, którą możemy dostrzec. Czym jest – nadal nie wiadomo. Szukanie tropów, z czego może składać się ta niewidoczna większość kosmosu, zajmuje wielu fizyków i jest przedmiotem kilkunastu eksperymentów.

Jedną z hipotez, wysuniętą jeszcze w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku przez Stephena Hawkinga i Bernarda Carra, jest to, że ciemną materią są czarne dziury. To obiekty, które powstają, gdy skupienie masy w pewnym obszarze przestrzeni staje się tak wielkie, że nic nie może uciec z jej ogromnej grawitacji.

Pierwotne czarne dziury mogły przetrwać do dziś. Jakie mają właściwości?

Czarne dziury powstają dziś we Wszechświecie w wyniku zapadania się masywnych gwiazd. Gdy w gwieździe ustaną reakcje termojądrowe, które utrzymują wysoką temperaturę i ciśnienie, gwiazda zapada się pod własnym ciężarem właśnie w czarną dziurę.

W początkach istnienia kosmosu jednak powstawały inne, znacznie mniejsze czarne dziury, zwane pierwotnymi (primordial black holes). Materia we Wszechświecie była rozłożona nierównomiernie. Tam, gdzie jej skupienie przekraczało pewną graniczną wielkość, powstawały czarne dziury.

Większość z nich już nie istnieje. Wszystkie, które miały masę mniejszą niż sto miliardów kilogramów, zdążyły już wyparować. Czarne dziury bowiem emitują promieniowanie – również opisane przez Stephena Hawkinga – przez co powoli, ale nieuchronnie tracą masę.

Sto miliardów kilogramów to olbrzymia liczba, ale masa przeciętnej planetoidy jest miliardy razy większa. Pierwotne czarne dziury, które miały początkową masę kilkunastu Wielkich Piramid w Gizie właśnie dokonują gdzieś żywota. Nadal istnieją też takie, które początkowo były większe.

Pierwotne czarne dziury mogą okazać się rozwiązaniem zagadki ciemnej materii

Jeśli w ogóle istnieją. Trzeba przyznać, że pierwotne czarne dziury nie są faworytem fizyków w poszukiwaniach ciemnej materii. Ale mogą okazać się czarnym koniem. Astrofizycy z amerykańskiego Uniwersytetu Miami, Uniwersytetu Yale i Europejskiej Agencji Kosmicznej przekonują, że to właściwy trop.

– Nasza praca opisuje, jak wyglądał młody Wszechświat, jeśli ciemną materię tworzą nie nieznane jeszcze cząstki elementarne, ale właśnie pierwotne czarne dziury, co zasugerował w latach 70. Stephen Hawking. Takie założenie sprawia, że niepotrzebne są nowe cząstki, siły ani prawa fizyki – mówi Nico Capelutti, fizyk z amerykańskiego Uniwersytetu Miami.

Pierwotne czarne dziury mają też inną zaletę. Pozwalają wyjaśnić, jak powstały supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, które maja masy milionów gwiazd. Nie wiemy, dlaczego mas takiej dziury jest zawsze proporcjonalna do masy galaktyki, w centrum której się znajduje.

– Pierwotne czarne dziury, jeśli istnieją, były zarodkami, z których powstały te supermasywne. Dotyczy to także czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki, czyli Drogi Mlecznej. To eleganckie wyjaśnienie dwóch zagadek naraz: pochodzenia takich supermasywnych czarnych dziur oraz natury ciemnej materii – mówi fizyk i astronom Priyamvada Natarajan z Uniwersytetu Yale.

Ślady pierwotnych czarnych dziur będzie można niedługo wykryć

Ale jak wykryć takie pierwotne czarne dziury? Szczęśliwie astrofizycy mają już pomysł. Ich praca – dostępna w serwisie ArXiv i przyjęta do publikacji w czasopiśmie „The Astrophysical Journal” – nie jest dowodem, że takie obiekty istnieją. Ale przewiduje, jakie ślady powinny pozostawiać takie pierwotne czarne dziury. Innymi słowy, czego powinniśmy szukać.

Pierwotne czarne dziury powinny były ułatwić skupianie się materii, a więc powstawanie gwiazd i galaktyk. Jeśli tak było, pierwsze gwiazdy powinny były powstać jeszcze w „ciemnych wiekach” istnienia Wszechświata, gdy był on nieprzezroczysty dla promieniowania.

Nie przepuszczała go jeszcze materia, która nie została jeszcze wtedy zjonizowana, czyli pozbawiona elektronów. Dopiero promieniowanie gwiazd zjonizowało materię i pozwoliło falom elektromagnetycznym na swobodne pokonywanie przestrzeni. Jeśli zaś nie istniały pierwotne czarne dziury, gwiazdy i galaktyki powinny powstać później.

W wykryciu ciemnej materii pomoże teleskop Webba

Niebawem na orbitę trafić ma kosmiczny teleskop Webba, który prowadzić będzie obserwacje między innymi w zakresie podczerwieni. Pozwoli mu to zajrzeć głębiej w historię wczesnego Wszechświata. Być może przyniesie to rozstrzygnięcie kwestii, czy ciemna materia składa się z niewielkich czarnych dziur powstałych w początkach istnienia Wszechświata, czy jednak z czegoś innego.

– Jeśli pierwsze gwiazdy i galaktyki powstawały jeszcze, gdy Wszechświat był nieprzezroczysty, teleskop Webba powinien dostrzec ślady takich pierwotnych czarnych dziur – mówi Günther Hasinger, astronom z Europejskiej Agencji Kosmicznej i szef jej zespołu naukowców.

Jest jeszcze inna poszlaka. Jeśli pierwotne czarne dziury istniały, ich promieniowanie Hawkinga powinno pozostawić ślad w postaci nadmiaru promieniowania podczerwonego. Zbiegiem okoliczności, ze wszystkich kierunków Wszechświata dobiega do nas właśnie taki niewyjaśniony dotąd nadmiar fal w zakresie podczerwieni. Czyżby coś zaczynało się zgadzać?

Źródła: ESA, University of Miami, ArXiv.