NASANancy Grace Rímsky vesmírny ďalekohľad Môže odhaliť predtým nezistené čierne diery „perovej váhy“, ktoré majú hmotnosť podobnú hmotnosti Zeme. Tieto prvotné čierne diery, ktoré sa sformovali na začiatku vesmíru, by mohli výrazne ovplyvniť naše chápanie astronómie a fyziky častíc a potenciálne by mohli vysvetliť niektoré časti temnej hmoty vo vesmíre.

Astronómovia objavili čierne diery s hmotnosťou od niekoľkonásobku hmotnosti Slnka až po desiatky miliárd. Teraz skupina vedcov predpovedala, že rímsky vesmírny teleskop NASA Nancy Grace bude schopný nájsť triedu čiernych dier s „pernatou hmotnosťou“, ktorá doteraz unikala objavu.

Dnes sa čierne diery tvoria buď pri kolapse masívnej hviezdy alebo pri splynutí masívnych objektov. Vedci sa však domnievajú, že menšie „prapôvodné“ čierne diery, vrátane niektorých s hmotnosťou podobnou Zemi, mohli vzniknúť v prvých chaotických chvíľach raného vesmíru.

„Objav populácie prvotných čiernych dier o hmotnosti Zeme by bol úžasným krokom pre astronómiu aj fyziku častíc, pretože tieto objekty nemohli vzniknúť žiadnym známym fyzikálnym procesom,“ povedal William DiRocco, postdoktorandský výskumník na UC Santa Fe. Cruz, ktorý viedol štúdiu o tom, ako ich Rimania odhalili. Dokument s popisom výsledkov Vyšlo to v časopise Fyzická prehliadka d. „Ak ich nájdeme, otrasie to oblasťou teoretickej fyziky.“

Objav prvotných čiernych dier s hmotnosťou Zeme pomocou rímskeho vesmírneho teleskopu NASA by mohol zmeniť naše chápanie vesmíru a temnej hmoty. Zdroj: Goddard Space Flight Center NASA

Pôvodný recept na čierne diery

Najmenšie čierne diery, ktoré dnes vznikajú, sa rodia, keď sa masívnej hviezde minie palivo. Jeho vonkajší tlak sa znižuje s poklesom jadrovej fúzie, takže vnútorná gravitácia vyhráva preťahovanie lanom. Hviezda sa sťahuje a môže byť taká hustá, že sa stane… Čierna diera.

Vyžaduje sa však minimálna hmotnosť: najmenej osemnásobok hmotnosti nášho Slnka. Ľahšie hviezdy sa zmenia buď na bielych trpaslíkov alebo na neutrónové hviezdy.

Podmienky vo veľmi ranom vesmíre však mohli umožniť vznik oveľa ľahších čiernych dier. Osoba vážiaca hmotnosť Zeme by mala horizont udalostí – bod, z ktorého niet návratu pre padajúce predmety – čo je zhruba šírka amerického desetníku.

Práve pri zrode vesmíru vedci veria, že prešiel krátkou, ale intenzívnou fázou známou ako inflácia, keď sa vesmír rozpínal rýchlejšie ako rýchlosť svetla. V týchto špeciálnych podmienkach sa oblasti, ktoré boli hustejšie ako okolité oblasti, mohli zrútiť a vytvoriť primordiálne čierne diery s nízkou hmotnosťou.

Zatiaľ čo teória predpovedá, že tí najmenší by sa museli vypariť skôr, ako vesmír dosiahne svoj súčasný vek, tie s hmotnosťou podobnou Zemi by prežili.

Objav týchto malých objektov bude mať obrovský vplyv na fyziku a astronómiu.

„To ovplyvní všetko od vzniku galaxií cez obsah temnej hmoty vo vesmíre až po kozmickú históriu,“ povedal Kailash Sahu, astronóm z Space Telescope Science Institute v Baltimore, ktorý sa na štúdii nezúčastnil. „Potvrdenie ich identity bude náročná práca a astronómovia budú potrebovať veľa presviedčania, ale bude to stáť za to.“

Stephen Hawking predpokladal, že čierne diery sa môžu pomaly sťahovať pri úniku žiarenia. Pomalý únik toho, čo je dnes známe ako Hawkingovo žiarenie, časom spôsobí, že sa čierna diera jednoducho vyparí. Táto infografika ukazuje odhadovanú životnosť a horizonty udalostí – bod, za ktorým už padajúce predmety nemôžu uniknúť gravitačnému zovretiu čiernej diery – a priemery čiernych dier rôznych malých hmotností. Zdroj: Goddard Space Flight Center NASA

Rady od skrytých majiteľov domov

Pozorovania už odhalili dôkazy o tom, že takéto objekty sa môžu skrývať v našej galaxii. Primordiálne čierne diery môžu byť neviditeľné, no vrásky v časopriestore pomohli chytiť niektorých potenciálnych podozrivých.

Mikrošošovka je pozorovací efekt spôsobený prítomnosťou hmoty, ktorá deformuje štruktúru časopriestoru, ako je odtlačok, ktorý zanecháva bowlingová guľa po umiestnení na trampolínu. Vždy, keď sa objekt z našej perspektívy zdá byť unášaný blízko hviezdy v pozadí, svetlo hviezdy musí prejsť pokriveným časopriestorom okolo objektu. Ak je zarovnanie obzvlášť blízke, objekt môže pôsobiť ako prirodzená šošovka, ktorá zaostruje a zosilňuje svetlo hviezdy v pozadí.

Samostatné skupiny astronómov to našli pomocou údajov z MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – spolupráce, ktorá vykonáva pozorovania mikrošošoviek pomocou observatória Mount John University Observatory na Novom Zélande – a OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Nečakane veľké množstvo izolovaných objektov s hmotnosťou Zeme.

Teórie formovania a evolúcie planét predpovedajú určité masy a početnosť nečestných planét – svetov potulujúcich sa galaxiou nepripútaných k hviezde. Pozorovania MOA a OGLE naznačujú, že galaxiou sa pohybuje viac objektov s hmotnosťou Zeme, ako predpovedajú modely.

Koncept tohto umelca využíva fantazijný prístup k predstaveniu malých prvotných čiernych dier. V skutočnosti by takéto malé čierne diery mali problém vytvoriť akrečné disky, vďaka ktorým sú tu viditeľné. Zdroj: Goddard Space Flight Center NASA

„Neexistuje žiadny spôsob, ako rozlišovať medzi čiernymi dierami s hmotnosťou Zeme a darebnými planétami prípad od prípadu,“ povedal DiRocco. Vedci však očakávajú, že Roman nájde množstvo objektov v tomto hmotnostnom rozsahu desaťkrát väčších ako pozemské teleskopy. „Roman by bol veľmi silný pri rozlišovaní medzi týmito dvoma štatistickými údajmi.“

DiRocco viedol úsilie určiť, koľko nečestných planét by muselo byť v tomto hmotnostnom rozsahu a koľko prvotných čiernych dier medzi nimi Rimania dokázali rozlíšiť.

Nájdenie prvotných čiernych dier by odhalilo nové informácie o veľmi ranom vesmíre a silne by naznačovalo, že skoré obdobie inflácie už nastalo. Mohlo by to tiež vysvetliť malé percento záhadnej temnej hmoty, ktorá podľa vedcov tvorí väčšinu hmoty vesmíru, ale ktorú zatiaľ nedokázali identifikovať.

„Toto je vzrušujúci príklad niečoho, čo môže urobiť viac vedcov s údajmi, ktoré už Roman bude mať počas svojho planetárneho hľadania,“ povedal Sahu. „Výsledky sú zaujímavé, či vedci nájdu dôkazy o čiernych dierach o hmotnosti Zeme.“

Odkaz: „Detekcia primordiálnych čiernych dier Zeme pomocou rímskeho vesmírneho teleskopu Nancy Grace“ od Williama DiRocca, Evana Frangipaniho, Nicka Hammera, Stefana Profuma a Nolana Smitha, 8. januára 2024, Fyzická prehliadka d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Rímsky vesmírny teleskop Nancy Grace je prevádzkovaný v Goddardovom vesmírnom letovom stredisku NASA v Greenbelte v štáte Maryland za účasti Laboratória prúdového pohonu NASA, Caltech/IPAC v južnej Kalifornii, Vedeckého inštitútu vesmírnych teleskopov v Baltimore a vedeckého tímu, ktorý zahŕňa vedcov z okolo sveta. Výskumné ústavy. Primárnymi priemyselnými partnermi sú BAE Systems, Inc., Boulder, Colorado; L3Harris Technologies v Rochestri, New York; a Teledyne Scientific & Imaging v Thousand Oaks v Kalifornii.