Gravitationsbølger kunne kaste lys over oprindelsen af ​​sorte huller

En ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve skitserer, hvordan forskere kunne bruge gravitationsbølgeeksperimenter til at teste eksistensen af ​​ur -sorte huller, tyngdekraftsbrønde, der blev dannet få øjeblikke efter Big Bang, som nogle forskere har stillet, kunne være en forklaring på mørkt stof.

"Vi ved godt, at sorte huller kan dannes ved sammenbrud af store stjerner, eller som vi har set for nylig, sammenlægningen af ​​to neutronstjerner, " sagde Savvas Koushiappas, en lektor i fysik ved Brown University og medforfatter af undersøgelsen med Avi Loeb fra Harvard University. "Men det er blevet antaget, at der kunne være sorte huller, der blev dannet i det meget tidlige univers, før stjerner overhovedet eksisterede. Det er det, vi adresserer med dette værk."

Tanken er, at kort efter Big Bang, kvantemekaniske udsving førte til densitetsfordelingen af ​​stof, som vi observerer i dag i det ekspanderende univers. Det er blevet foreslået, at nogle af disse tæthedsudsving kan have været store nok til at resultere i sorte huller, der er krydret i hele universet. Disse såkaldte oprindelige sorte huller blev først foreslået i begyndelsen af ​​1970'erne af Stephen Hawking og samarbejdspartnere, men er aldrig blevet opdaget-det er stadig ikke klart, om de overhovedet findes.

Evnen til at detektere gravitationsbølger, som vist for nylig af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), har potentiale til at kaste nyt lys over spørgsmålet. Sådanne eksperimenter opdager krusninger i rummet i rumtiden forbundet med kæmpe astronomiske begivenheder som kollision af to sorte huller. LIGO har allerede opdaget flere fusioner af sorte huller, og fremtidige eksperimenter vil kunne opdage begivenheder, der skete meget længere tilbage i tiden.

"Ideen er meget enkel, "Sagde Koushiappas." Med fremtidige gravitationsbølgeeksperimenter, vi vil kunne se tilbage til en tid før dannelsen af ​​de første stjerner. Så hvis vi ser fusioner med sorte huller, før stjerner fandtes, så ved vi, at de sorte huller ikke er af stjernernes oprindelse."

Kosmologer måler, hvor langt tilbage i tiden en begivenhed fandt sted ved hjælp af rødforskydning - strækningen af ​​lysets bølgelængde forbundet med universets ekspansion. Begivenheder længere tilbage i tiden er forbundet med større rødforskydninger. Til denne undersøgelse, Koushiappas og Loeb beregnede det røde skift, hvor fusioner af sorte huller ikke længere skulle påvises under forudsætning af kun stjernernes oprindelse.

De viser, at ved en rødforskydning på 40, hvilket svarer til omkring 65 millioner år efter Big Bang, fusionshændelser bør opdages med en hastighed på højst en om året forudsat stjernernes oprindelse. Ved rødforskydninger større end 40, begivenheder bør forsvinde helt.

"Det er virkelig det faldende punkt, "Sagde Koushiappas." I virkeligheden, vi forventer, at fusionsbegivenheder stopper i god tid før det tidspunkt, men en rødforskydning på omkring 40 er det absolut hårdeste grænse- eller afskæringspunkt. "

En rødforskydning på 40 bør være inden for rækkevidde af flere foreslåede gravitationsbølgeeksperimenter. Og hvis de opdager fusionshændelser ud over det, det betyder en af ​​to ting, Koushiappas og Loeb siger:Enten findes der ur -sorte huller, eller det tidlige univers udviklede sig på en måde, der er meget forskellig fra den standard kosmologiske model. Enten ville være meget vigtige opdagelser, siger forskerne.

For eksempel, oprindelige sorte huller falder ind i en kategori af enheder kendt som MACHO'er, eller Massive kompakte Halo -objekter. Nogle forskere har foreslået, at mørkt stof - de usynlige ting, der menes at udgøre størstedelen af ​​universets masse - kan være fremstillet af MACHO'er i form af ur -sorte huller. En opdagelse af ur -sorte huller ville styrke denne idé, mens en ikke-opdagelse ville skabe tvivl om det.

Den eneste anden mulige forklaring på fusioner af sorte huller ved rødforskydninger større end 40 er, at universet er "ikke-gaussisk". I den standard kosmologiske model, stofsvingninger i det tidlige univers er beskrevet ved en Gaussisk sandsynlighedsfordeling. En fusionsdetektion kan betyde, at udsving i sagen afviger fra en gaussisk fordeling.

"Beviser for ikke-Gaussianitet ville kræve ny fysik for at forklare oprindelsen af ​​disse fluktuationer, hvilket ville være en stor sag, "Sagde Loeb.

Den hastighed, hvormed detekteringer foretages efter en rødforskydning på 40-hvis der virkelig foretages sådanne detektioner-skulle indikere, om de er et tegn på ur-sorte huller eller bevis for ikke-Gaussianitet. Men en ikke-afsløring ville udgøre en stærk udfordring for disse ideer.