På jagt efter oprindelige sorte huller

Teorien om, at mørkt stof kunne være lavet af oprindelige sorte huller på en brøkdel af en millimeter i størrelse, er blevet udelukket af et team af forskere ledet af Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).

I 1974, fysiker Stephen Hawking beskrev, hvordan primordiale sorte huller kunne være dannet på en brøkdel af et sekund efter Big Bang. Primordiale sorte huller kunne have masser fra en lille plet til 100, 000 gange vores sol. I modsætning, supermassive sorte huller opdaget af astronomiske observationer begyndte at dannes mindst hundredtusinder af år senere, og er millioner eller milliarder gange større end vores sol. Da primordiale sorte huller af enhver størrelse ikke er blevet opdaget, de har været en spændende kandidat til undvigende mørkt stof.

Så vidt vi ved pt. baryonisk stof udgør kun 5 procent af alt stof i universet. Resten er enten mørkt stof (27 procent) eller mørk energi (68 procent), som begge endnu ikke er blevet fysisk opdaget. Men forskere er sikre på, at mørkt stof eksisterer, fordi vi kan se dets effekt på vores univers. Uden gravitationskraften fra mørkt stof, stjernerne i vores Mælkevejsgalakse ville flyve fra hinanden.

For at teste teorien om, at oprindelige sorte huller, specifikt dem om månens masse eller mindre, kunne være mørkt stof, Kavli IPMU-forskere Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura og samarbejdspartnere fra Japan, Indien og USA søgte efter disse små sorte huller mellem Jorden og Andromedagalaksen, Mælkevejens nærmeste nabogalakse, 2,5 millioner lysår væk.

"Det, der gjorde mig interesseret i dette projekt, var den enorme indvirkning, det ville have på afsløringen af ​​mørkt stofs natur, " siger Niikura. "At opdage primordiale sorte huller ville være en historisk bedrift. Selv et negativt resultat ville være værdifuld information for forskere, der sammensætter scenariet for, hvordan universet begyndte."

At lede efter sorte huller, holdet brugte gravitationslinseeffekten. Gravitationslinser blev først forklaret af Albert Einstein, hvem sagde, at det var muligt for et billede af et fjernt objekt, såsom en stjerne, at blive forvrænget på grund af gravitationseffekten af ​​et massivt objekt mellem stjernen og Jorden. Den massive genstands tyngdekraft kunne virke som en forstørrelsesglaslinse, bøjer stjernens lys og får det til at virke lysere eller forvrænget for menneskelige observatører på Jorden.

Fordi en stjerne, et sort hul og Jorden bevæger sig konstant i det interstellare rum, en stjerne ville gradvist blive lysere, så dæmpes for observatører på Jorden, når den bevæger sig hen over en gravitationslinse. Så forskerne fangede 190 på hinanden følgende billeder af hele Andromedagalaksen, takket være Hyper Suprime-Cam digitalkameraet på Subaru-teleskopet på Hawaii. Hvis mørkt stof er lavet af oprindelige sorte huller og, I dette tilfælde, dem, der er lettere end månen, forskerne forventede at finde 1, 000 gravitationelle mikrolinser. De beregnede dette skøn ved at antage, at mørkt stof i hele galaksens glorie består af oprindelige sorte huller, og under hensyntagen til antallet af stjerner i Andromedagalaksen, der kunne blive påvirket af et oprindeligt sort hul, og endelig chancerne for, at deres udstyr fanger en gravitationel mikrolinsebegivenhed.

Teleskopet fotograferede 90 millioner stjerner. Det tog to år for holdet at filtrere alle hændelser af støj og ikke-gravitationelle linse fra dataene. Til sidst, de kunne kun identificere én stjerne, der blev lysere og derefter dæmpet - hvilket tyder på et muligt oprindeligt sort hul - hvilket betyder, at det er usandsynligt, at de udgør alt mørkt stof.

Ikke desto mindre, Niikura forklarer, at der stadig er meget at lære om primordiale sorte huller. Forskerne havde kun afkræftet teorien for en specifik masse:sorte huller med en masse svarende til eller mindre end månen. Tidligere undersøgelser har udelukket andre masser, eller i hvor høj grad de kunne forklare mørkt stof. Men der er stadig en chance for, at oprindelige sorte huller af varierende størrelse kan være derude. Den analytiske tilgang udviklet af Kavli-teamet kunne bruges i fremtidige undersøgelser af det oprindelige sorte hul, herunder forsøg på at afgøre, om sorte huller opdaget af Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory (LIGO) i USA i virkeligheden kunne være primordiale.