Primordiale sorte huller og søgen efter mørkt stof fra multiverset

Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) er hjemsted for mange tværfaglige projekter, som nyder godt af synergien fra en bred vifte af ekspertise, der er tilgængelig på instituttet. Et sådant projekt er studiet af sorte huller, der kunne være dannet i det tidlige univers, før stjerner og galakser blev født.

Sådanne primordiale sorte huller (PBH'er) kunne stå for alt eller en del af mørkt stof, være ansvarlig for nogle af de observerede gravitationsbølgesignaler, og frø supermassive sorte huller fundet i midten af ​​vores galakse og andre galakser. De kan også spille en rolle i syntesen af ​​tunge grundstoffer, når de kolliderer med neutronstjerner og ødelægger dem, frigivelse af neutronrigt materiale. I særdeleshed, der er en spændende mulighed for, at det mystiske mørke stof, som står for det meste af stoffet i universet, er sammensat af oprindelige sorte huller. Nobelprisen i fysik 2020 blev tildelt en teoretiker, Roger Penrose, og to astronomer, Reinhard Genzel og Andrea Ghez, for deres opdagelser, der bekræftede eksistensen af ​​sorte huller. Da sorte huller vides at eksistere i naturen, de er en meget tiltalende kandidat for mørkt stof.

De seneste fremskridt inden for fundamental teori, astrofysik, og astronomiske observationer i jagten på PBH'er er blevet foretaget af et internationalt hold af partikelfysikere, kosmologer og astronomer, herunder Kavli IPMU-medlemmer Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada og Volodymyr Takhistov.

For at lære mere om primordiale sorte huller, forskerholdet kiggede på det tidlige univers for spor. Det tidlige univers var så tæt, at enhver positiv tæthedsudsving på mere end 50 procent ville skabe et sort hul. Imidlertid, kosmologiske forstyrrelser, at frøede galakser er kendt for at være meget mindre. Alligevel, en række processer i det tidlige univers kunne have skabt de rette betingelser for, at de sorte huller kunne dannes.

En spændende mulighed er, at oprindelige sorte huller kan dannes fra de "baby-universer" skabt under inflationen, en periode med hurtig ekspansion, der menes at være ansvarlig for såning af de strukturer, vi observerer i dag, såsom galakser og galaksehobe. Under inflation, babyuniverser kan forgrene sig fra vores univers. Et lille baby (eller "datter") univers ville til sidst kollapse, men den store mængde energi, der frigives i det lille volumen, får et sort hul til at dannes.

En endnu mere ejendommelig skæbne venter et større babyunivers. Hvis den er større end en kritisk størrelse, Einsteins teori om tyngdekraften tillader babyuniverset at eksistere i en tilstand, der ser anderledes ud for en iagttager på indersiden og ydersiden. En intern iagttager ser det som et ekspanderende univers, mens en udefrakommende observatør (som os) ser det som et sort hul. I begge tilfælde, det store og det lille babyunivers ses af os som oprindelige sorte huller, som skjuler den underliggende struktur af flere universer bag deres "begivenhedshorisonter." Begivenhedshorisonten er en grænse, under hvilken alt, selv lys, er fanget og kan ikke undslippe det sorte hul.

I deres papir, holdet beskrev et nyt scenarie for PBH-dannelse og viste, at de sorte huller fra "multiverse"-scenariet kan findes ved hjælp af Hyper Suprime-Cam (HSC) fra 8,2 m Subaru-teleskopet, et gigantisk digitalkamera - hvis ledelse Kavli IPMU har spillet en afgørende rolle - nær de 4, 200 meter toppen af ​​Mauna Kea-bjerget på Hawaii. Deres arbejde er en spændende forlængelse af HSC-søgningen af ​​PBH, som Masahiro Takada, en hovedefterforsker ved Kavli IPMU, og hans hold forfølger. HSC-teamet har for nylig rapporteret om førende begrænsninger for eksistensen af ​​PBH'er i Niikura, Takada et. al. ( Natur astronomi 3, 524-534 (2019))

Hvorfor var HSC uundværlig i denne forskning? HSC har en unik evne til at afbilde hele Andromeda-galaksen hvert par minutter. Hvis et sort hul passerer gennem sigtelinjen til en af ​​stjernerne, det sorte huls tyngdekraft bøjer lysstrålerne og får stjernen til at se lysere ud end før i en kort periode. Varigheden af ​​stjernens lysende lys fortæller astronomerne massen af ​​det sorte hul. Med HSC observationer, man kan samtidig observere hundrede millioner stjerner, støbning af et bredt net efter primordiale sorte huller, der kan krydse en af ​​sigtelinjerne.

De første HSC-observationer har allerede rapporteret en meget spændende kandidatbegivenhed i overensstemmelse med en PBH fra "multiverset, " med en sort hulmasse, der kan sammenlignes med Månens masse. Opmuntret af dette første tegn, og styret af den nye teoretiske forståelse, holdet udfører en ny runde af observationer for at udvide søgningen og give en endelig test af, om PBH'er fra multiversscenariet kan tage højde for alt mørkt stof.