Czym są pierwotne czarne dziury?
Większość czarnych dziur, o których słyszymy, to obiekty pochodzenia gwiazdowego. Powstają one w wyniku gwałtownej śmierci masywnych gwiazd, które zapadają się pod własnym ciężarem w widowiskowym wybuchu supernowej. Z tego powodu ich masa jest zazwyczaj kilkukrotnie większa od masy naszego Słońca. Jednak pierwotne czarne dziury (ang. primordial black holes, PBH) to zupełnie inna kategoria obiektów. Ich istnienie po raz pierwszy zasugerował Stephen Hawking jeszcze w latach 70. XX wieku.
Czytaj także: Czarne dziury z początków Wszechświata mogą przelatywać obok Ziemi. Niezwykłe odkrycie
Zgodnie z teorią, pierwotne czarne dziury nie narodziły się z umierających gwiazd, lecz bezpośrednio z fluktuacji gęstości w ekstremalnie gorącym i gęstym wczesnym wszechświecie, tuż po Wielkim Wybuchu. Takie „nieastrofizyczne” czarne dziury mogłyby przyjmować niemal dowolne rozmiary – od masy przeciętnej asteroidy po masę ogromnej planety. Jeśli rzeczywiście istnieją, mogłyby one wypełniać przestrzeń międzygalaktyczną, stanowiąc znaczną część, a może nawet całość poszukiwanej ciemnej materii.
Sygnał, który zmienił wszystko
Przez lata pierwotne czarne dziury pozostawały jedynie fascynującą koncepcją teoretyczną. Sytuacja uległa jednak zmianie dzięki obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Urządzenie to zarejestrowało sygnał fali grawitacyjnej powstałej w wyniku kolizji dwóch czarnych dziur, z których co najmniej jedna posiadała masę mniejszą od masy Słońca. Z punktu widzenia współczesnej astrofizyki, taka masa jest niemożliwa dla czarnej dziury powstałej z gwiazdy.
Nico Cappelluti z University of Miami oraz jego współpracownik Alberto Magaraggia uważają, że ten nietypowy sygnał jest pierwszym realnym dowodem na istnienie obiektów pierwotnych. Choć zawsze istnieje ryzyko, że zarejestrowany szum był jedynie błędem pomiarowym lub zakłóceniem w czułych ramionach interferometru, naukowcy są przekonani, że statystyka przemawia za ich odkryciem. “Próbowaliśmy oszacować, ile pierwotnych czarnych dziur może istnieć we wszechświecie i ile z nich LIGO powinno być w stanie wykryć. Nasze wyniki są zachęcające” – wyjaśnia Magaraggia.
Dlaczego to rozwiązuje problem ciemnej materii?
Standardowy Model fizyki cząstek elementarnych, mimo swojej skuteczności, nie oferuje cząstki, która mogłaby być kandydatem na ciemną materię. Poszukiwania nowych cząstek, takich jak aksjony czy WIMP-y, jak dotąd nie przyniosły rezultatów. W tym kontekście pierwotne czarne dziury stają się niezwykle atrakcyjną alternatywą. Podobnie jak postulowane cząstki ciemnej materii, czarne dziury posiadają masę (oddziałują grawitacyjnie) i są praktycznie niewidoczne, ponieważ ich powierzchnia – horyzont zdarzeń – więzi nawet światło.
Naukowcy wskazują, że grawitacja samej widzialnej materii w galaktykach nie wystarczyłaby, aby utrzymać je w całości. Potrzebny jest dodatkowy „klej” grawitacyjny. Jeśli wszechświat jest usiany miliardami miniaturowych czarnych dziur, idealnie pasują one do roli brakującej masy, której astronomowie szukają od dekad.
Cierpliwość kluczem do sukcesu
Mimo entuzjazmu badaczy, społeczność naukowa podchodzi do tych doniesień z rezerwą. Jeden nietypowy sygnał to za mało, by ogłosić definitywny koniec zagadki ciemnej materii. Aby potwierdzić teorię o pierwotnym pochodzeniu tych obiektów, potrzeba więcej detekcji sygnałów o masie podsolarnej. Historia uczy jednak cierpliwości – Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych w 1915 roku, a na ich pierwsze bezpośrednie potwierdzenie musieliśmy czekać dokładnie sto lat.
Czytaj także: Czarna dziura miała wszystko wymazać. Nowa teoria mówi coś zupełnie innego
Przyszłość zapowiada się jednak ekscytująco. Obecne detektory, takie jak LIGO w USA, Virgo we Włoszech oraz KAGRA w Japonii, przechodzą regularne modernizacje, zwiększając swoją czułość. W planach jest także wyniesienie w przestrzeń kosmiczną detektora LISA (Laser Interferometer Space Antenna), który pozwoli nam zajrzeć jeszcze głębiej w przeszłość wszechświata. “LIGO dostarczyło bardzo silnych dowodów. Teraz musimy wykryć kolejny taki sygnał lub kilka podobnych, aby zyskać absolutną pewność” – podsumowuje Cappelluti. Jeśli hipoteza się potwierdzi, będziemy świadkami największego przełomu w kosmologii od czasu odkrycia ekspansji wszechświata.
