Ny model har til formål at forklare manglen på sorte miniaturehuller i det tidlige univers

Forskere ved Research Center for the Early Universe (RESCEU) og Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) ved University of Tokyo har anvendt den velforståede og meget verificerede kvantefeltteori, som normalt anvendes til studiet af det helt lille, til et nyt mål, det tidlige univers.

Deres udforskning førte til den konklusion, at der burde være langt færre sorte miniaturehuller, end de fleste modeller antyder, selvom observationer for at bekræfte dette snart skulle være muligt. Den specifikke slags sorte hul, der er tale om, kunne være en udfordrer for mørkt stof. Deres arbejde er blevet offentliggjort i Physical Review Letters og Fysisk gennemgang D .

Studiet af universet kan være en skræmmende ting, så lad os sikre os, at vi alle er på samme side. Selvom detaljerne er uklare, er den generelle konsensus blandt fysikere, at universet er omkring 13,8 milliarder år gammelt, begyndte med et brag, udvidede sig hurtigt i en periode kaldet inflation, og et eller andet sted langs linjen gik fra at være homogent til at indeholde detaljer og struktur.

Det meste af universet er tomt, men på trods af dette ser det ud til at være betydeligt tungere, end det kan forklares med, hvad vi kan se - vi kalder denne uoverensstemmelse mørkt stof, og ingen ved, hvad det kan være, men der opbygges beviser for, at det kan være sorte huller, specielt gamle.

"Vi kalder dem primordiale sorte huller (PBH), og mange forskere føler, at de er en stærk kandidat til mørkt stof, men der skulle være masser af dem for at tilfredsstille denne teori," sagde kandidatstuderende Jason Kristiano.

"De er også interessante af andre grunde, da der siden den nylige innovation af gravitationsbølgeastronomi har været opdagelser af binære sorte huls fusioner, hvilket kan forklares, hvis PBH'er findes i stort antal. Men på trods af disse stærke grunde til deres forventede overflod, vi har ikke set nogen direkte, og nu har vi en model, som skal forklare, hvorfor det er tilfældet."

Kristiano og hans vejleder, professor Jun'ichi Yokoyama, som i øjeblikket er direktør for Kavli IPMU og RESCEU, har grundigt udforsket de forskellige modeller for PBH-dannelse, men fundet ud af, at de førende konkurrenter ikke stemmer overens med faktiske observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) , som er ligesom et fingeraftryk fra Big Bang-eksplosionen, der markerede begyndelsen af ​​universet. Og hvis noget er uenigt med solide observationer, kan det enten ikke være sandt eller i bedste fald kun male en del af et billede.

I dette tilfælde brugte holdet en ny tilgang til at korrigere den førende model for PBH-dannelse fra kosmisk inflation, så den bedre stemmer overens med aktuelle observationer og kunne verificeres yderligere med kommende observationer af jordbaserede gravitationsbølgeobservatorier rundt om i verden.

"I begyndelsen var universet utroligt lille, meget mindre end størrelsen af ​​et enkelt atom. Kosmisk inflation udvidede hurtigt det med 25 størrelsesordener. På det tidspunkt kunne bølger, der rejste gennem dette lille rum have haft relativt store amplituder, men meget korte bølgelængder Det, vi har fundet, er, at disse små, men stærke bølger kan oversætte til ellers uforklarlig forstærkning af meget længere bølger, vi ser i den nuværende CMB," sagde Yokoyama.

"Vi mener, at dette skyldes lejlighedsvise tilfælde af sammenhæng mellem disse tidlige korte bølger, hvilket kan forklares ved hjælp af kvantefeltteori, den mest robuste teori, vi har til at beskrive dagligdags fænomener såsom fotoner eller elektroner. Mens individuelle korte bølger ville være relativt magtesløse , ville sammenhængende grupper have magten til at omforme bølger, der er meget større end dem selv. Dette er et sjældent tilfælde, hvor en teori om noget i en ekstrem skala synes at forklare noget i den modsatte ende af skalaen."

Hvis, som Kristiano og Yokoyama foreslår, tidlige småskalaudsving i universet påvirker nogle af de større udsving, vi ser i CMB, kan det ændre standardforklaringen af ​​grove strukturer i universet. Men også, da vi kan bruge målinger af bølgelængder i CMB til effektivt at begrænse omfanget af tilsvarende bølgelængder i det tidlige univers, begrænser det nødvendigvis alle andre fænomener, der kan stole på disse kortere, stærkere bølgelængder. Og det er her, PBH'erne kommer tilbage.

"Det er en udbredt opfattelse, at sammenbruddet af korte, men stærke bølgelængder i det tidlige univers er det, der skaber primordiale sorte huller," sagde Kristiano. "Vores undersøgelse tyder på, at der burde være langt færre PBH'er, end det ville være nødvendigt, hvis de faktisk er en stærk kandidat til mørkt stof eller gravitationsbølgehændelser."

I skrivende stund er verdens gravitationsbølgeobservatorier, LIGO i USA, Jomfruen i Italien og KAGRA i Japan, midt i en observationsmission, som har til formål at observere de første små sorte huller, sandsynligvis PBH'er. Under alle omstændigheder bør resultaterne give holdet solide beviser for at hjælpe dem med at forfine deres teori yderligere.