Demnach könnte das Universum im ersten Fünftel einer Sekunde mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugt haben, die enorme Mengen an Kernladung enthalten mit Physiker.

MIT-Forscher vermuten, dass sich in den ersten Augenblicken nach der Entstehung des Universums urzeitliche Schwarze Löcher, möglicherweise eine Form der Dunklen Materie, gebildet haben könnten. die große Explosion Sie tragen in hohem Maße die nukleare Eigenschaft, die als Farbladung bekannt ist. Obwohl diese aufgeladenen Schwarzen Löcher nur für kurze Zeit existierten, könnten sie die frühe Kosmologie des Universums beeinflusst haben und einige heute beobachtete astronomische Phänomene erklären.

Dunkle Materie und ursprüngliche Schwarze Löcher

Für jedes Kilogramm Materie, das wir sehen können – vom Telefon in Ihrer Hand bis zu den Sternen und fernen Galaxien – gibt es 5 kg unsichtbare Materie, die unsere Umgebung durchdringt. Diese „dunkle Materie“ ist ein mysteriöses Gebilde, das sich jeder direkten Beobachtung entzieht, seine Präsenz jedoch durch seine unsichtbare Anziehungskraft auf sichtbare Objekte spürbar macht.

Vor fünfzig Jahren schlug der Physiker Stephen Hawking eine Idee vor, was Dunkle Materie sein könnte: eine Ansammlung von Schwarzen Löchern, die sich möglicherweise sehr kurz nach dem Urknall gebildet haben. Das ist großartig „Urzeitliche“ Schwarze Löcher. Dabei handelte es sich nicht um die riesigen Objekte, die wir heute entdecken, sondern um mikroskopisch kleine Regionen superdichter Materie, die sich in der ersten fünf Billionstel Sekunde nach dem Urknall gebildet hatten und dann kollabierten und sich über das Universum verteilten, wobei sie die umgebende Raumzeit in gewisser Weise mitzerrten Das könnte die dunkle Materie erklären, die… Wir wissen es heute.

Entdeckung aufgeladener Schwarzer Löcher

Jetzt haben MIT-Physiker herausgefunden, dass dieser primitive Prozess auch einige unerwartete Einrichtungen hervorgebracht hätte: noch kleinere Schwarze Löcher, die beispiellose Mengen einer nuklearphysikalischen Eigenschaft enthalten, die als „Farbladung“ bekannt ist.

Bei diesen kleineren, „überladenen“ Schwarzen Löchern handelt es sich wahrscheinlich um einen völlig neuen Materiezustand, der wahrscheinlich im Bruchteil einer Sekunde nach seinem Erscheinen verdampft. Es ist jedoch möglich, dass es einen Einfluss auf einen großen kosmischen Übergang hatte: die Zeit, in der sich die ersten Atomkerne bildeten. Physiker gehen davon aus, dass bunt geladene Schwarze Löcher das Gleichgewicht verschmelzender Kerne auf eine Weise beeinflussen könnten, die Astronomen eines Tages durch zukünftige Messungen entdecken könnten. Eine solche Beobachtung würde überzeugend darauf hinweisen, dass urzeitliche Schwarze Löcher der Ursprung aller heutigen Dunklen Materie sind.

„Obwohl diese seltsamen, kurzlebigen Kreaturen heute nicht existieren, könnten sie die kosmische Geschichte auf eine Weise beeinflusst haben, die heute in subtilen Signalen sichtbar werden könnte“, sagt David Kaiser, Professor für Wissenschaftsgeschichte und Professor für Physik an der Hochschule Germshausen. Massachusetts Institute of Technology. „Im Rahmen der Vorstellung, dass die gesamte dunkle Materie von Schwarzen Löchern stammen könnte, gibt uns dies neue Dinge, nach denen wir suchen können.“

Kaiser und seine Co-Autorin, MIT-Doktorandin Elba Alonso Monsalve, veröffentlichten ihre Studie am 6. Juni in der Zeitschrift. Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Eine Zeit vor den Sternen

Die Schwarzen Löcher, die wir heute kennen und entdecken, sind das Produkt eines Sternkollapses, bei dem das Zentrum eines massereichen Sterns in sich zusammenfällt und eine Region bildet, die so dicht ist, dass sie die Raumzeit so krümmen kann, dass alles – sogar Licht – darin eingeschlossen wird. . Solche „astrophysikalischen“ Schwarzen Löcher können einige bis mehrere Milliarden Sonnenmassen haben.

Im Gegensatz dazu können „ursprüngliche“ Schwarze Löcher viel kleiner sein und man geht davon aus, dass sie in einer Zeit vor den Sternen entstanden sind. Bevor das Universum grundlegende Elemente, ganz zu schweigen von Sternen, hervorbrachte, glauben Wissenschaftler, dass sich Taschen ultradichter Urmaterie angesammelt und kollabiert haben könnten, um mikroskopisch kleine Schwarze Löcher zu bilden, die so dicht sein könnten, dass sie die Masse eines Asteroiden auf eine Fläche von etwa 100 m komprimieren würden klein wie eins Mais. Die Anziehungskraft dieser kleinen, unsichtbaren Objekte, die über das ganze Universum verstreut sind, könnte die gesamte dunkle Materie erklären, die wir heute nicht sehen können.

Wenn ja, woraus bestanden diese ursprünglichen Schwarzen Löcher? Diese Frage stellen Kaiser und Alonso Monsalvi in ​​ihrer neuen Studie.

„Die Leute haben untersucht, was Verteilung ist schwarzes Loch „Die Massen wären während dieser frühen Entstehung des Universums vorhanden gewesen, aber sie waren nie mit den Dingen verbunden, die zum Zeitpunkt ihrer Entstehung in diese Schwarzen Löcher gefallen wären“, erklärt Kaiser.

Aufgeladenes Einhorn

MIT-Physiker untersuchten zunächst bestehende Theorien zur möglichen Verteilung der Masse eines Schwarzen Lochs, als es sich im frühen Universum zum ersten Mal bildete.

„Wir haben erkannt, dass es einen direkten Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Entstehung des ursprünglichen Schwarzen Lochs und der Masse gibt, mit der es entsteht“, sagt Alonso Monsalvi. „Und dieses Zeitfenster ist lächerlich früh.“

Sie und Kaiser berechneten, dass sich urzeitliche Schwarze Löcher innerhalb der ersten Fünftelsekunde nach dem Urknall gebildet haben müssen. Dieser Zeitblitz hätte „typische“ mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugt, die so massiv wie ein Asteroid und so klein wie ein Atom waren. Es hätte auch einen kleinen Teil erheblich kleinerer Schwarzer Löcher mit einer Einhornmasse und einem Volumen erzeugt, das viel kleiner als ein einzelnes Proton wäre.

Woraus bestehen diese ursprünglichen Schwarzen Löcher? Dazu stützten sie sich auf Studien zur Entstehung des frühen Universums und insbesondere auf die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) – die Untersuchung der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen.

Quantendynamik und Entstehung Schwarzer Löcher

Quarks und Gluonen sind die Bausteine ​​von Protonen und Neutronen, Elementarteilchen, die zusammen die Grundelemente des Periodensystems bilden. Unmittelbar nach dem Urknall schätzten Physiker anhand der QCD, dass das Universum extrem heiß sei Plasma Quarks und Gluonen kühlen schnell ab und verbinden sich zu Protonen und Neutronen.

Die Forscher fanden heraus, dass das Universum während der ersten fünf Billionstel Sekunden noch eine Suppe aus freien Quarks und Gluonen war, die sich noch nicht verbunden hatten. Alle zu diesem Zeitpunkt entstandenen Schwarzen Löcher hätten ungebundene Teilchen verschluckt, zusammen mit einer seltsamen Eigenschaft, die als „Farbladung“ bekannt ist – einem Ladungszustand, den nur ungebundene Quarks und Gluonen aufweisen.

Die Rolle der Farbladung in der Dynamik Schwarzer Löcher

„Als wir entdeckten, dass diese Schwarzen Löcher in einem Quark-Gluon-Plasma entstehen, mussten wir vor allem herausfinden, wie viel von der Farbladung in einer Materieblase in einem ursprünglichen Schwarzen Loch landen würde?“ sagt Alonso Monsalvi.

Mithilfe der QCD-Theorie gelangten sie zu einer Farbladungsverteilung, die in allen frühen heißen Plasmen vorhanden sein sollte. Anschließend verglichen sie dies mit der Größe der Region, die in der ersten fünfmillionsten Sekunde kollabieren und ein Schwarzes Loch bilden würde. Es stellte sich heraus, dass es in den meisten typischen Schwarzen Löchern dieser Zeit nicht viel Farbladung gab, da sie durch die Absorption einer großen Anzahl von Regionen entstanden waren, die eine Mischung von Ladungen enthielten, die sich schließlich zu „neutral“ summierten. “ Kosten.

Fazit und zukünftige Implikationen

Aber die kleinsten Schwarzen Löcher wären mit farbiger Ladung gefüllt. Tatsächlich hätte es nach den Grundgesetzen der Physik das Maximum aller für ein Schwarzes Loch zulässigen Ladungen gehabt. Während solche „extremen“ Schwarzen Löcher seit Jahrzehnten vermutet werden, hat bis jetzt niemand einen realistischen Prozess entdeckt, durch den solche Anomalien in unserem Universum entstehen könnten.

Professor Bernard Carr von der Queen Mary University of London, ein Experte für urzeitliche Schwarze Löcher, der zuerst mit Stephen Hawking zu diesem Thema arbeitete, beschreibt die neue Arbeit als „aufregend“. Carr, der nicht an der Studie beteiligt war, sagt, dass die Arbeit „zeigt, dass es Bedingungen gibt, unter denen ein kleiner Teil des frühen Universums in Objekte eindringen könnte, die eine enorme Menge an Farbladungen enthalten (zumindest für einen bestimmten Zeitraum), exponentiell größer.“ als das, was in früheren Studien zur QCD ermittelt wurde.

Überladene Schwarze Löcher sollten schnell verdampfen, aber möglicherweise erst nach dem Zeitpunkt, an dem sich die ersten Atomkerne zu bilden begannen. Wissenschaftler schätzen, dass dieser Prozess etwa eine Sekunde nach dem Urknall begann, was extremen Schwarzen Löchern genügend Zeit gegeben hätte, die Gleichgewichtsbedingungen zu stören, die herrschten, als sich die ersten Kerne zu bilden begannen. Solche Störungen werden wahrscheinlich die Bildung dieser frühen Kerne auf eine Weise beeinflussen, die eines Tages beobachtet werden könnte.

„Diese Objekte könnten einige interessante Beobachtungsspuren hinterlassen haben“, sagt Alonso Monsalvi. „Sie hätten das Gleichgewicht zwischen diesem und jenem verändern können, und das ist es, was man in Frage stellen kann.“

Referenz: „Primordial Black Holes with QCD Color Charge“ von Elba Alonso Monsalvi und David I. Kaiser, 6. Juni 2024, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.231402

Diese Forschung wurde teilweise vom US-Energieministerium unterstützt. Alonso Monsalvi wird außerdem durch ein Stipendium des MIT Department of Physics unterstützt.