Sorte huller og mørkt stof – er de ét og det samme?

Primordiale sorte huller skabt i de første øjeblikke efter Big Bang - bittesmå, der er mindre end hovedet på en nål og supermassive, der dækker milliarder af miles - kan stå for alt det mørke stof i universet.

Det er implikationen af ​​en ny model af det tidlige univers skabt af astrofysikere ved Yale, University of Miami og European Space Agency (ESA). Hvis det viser sig sandt med data fra det snart lancerede James Webb-rumteleskop, ville opdagelsen transformere videnskabsmænds forståelse af oprindelsen og naturen af ​​både mørkt stof og sorte huller.

Mørkt stof – som aldrig er blevet direkte observeret – menes at udgøre størstedelen af ​​stof i universet og fungere som det usete stillads, hvorpå galakser dannes og udvikles. Fysikere har brugt år på at teste en række af mørkt stofkandidater, herunder hypotetiske partikler såsom sterile neutrinoer, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPS) og aksioner.

Sorte huller er derimod blevet observeret. Et sort hul er et punkt i rummet, hvor stof er så tæt komprimeret, at det skaber intens tyngdekraft. Ikke engang lys kan modstå dets træk. Sorte huller findes i centrum af de fleste galakser.

Den nye undersøgelse, accepteret til offentliggørelse i The Astrophysical Journal , vender tilbage til en teori, som først blev foreslået i 1970'erne af fysikerne Stephen Hawking og Bernard Carr. På det tidspunkt argumenterede Hawking og Carr for, at i den første brøkdel af et sekund efter Big Bang, kan små udsving i universets tæthed have skabt et bølgende landskab med "klumpede" områder, der havde ekstra masse. Disse klumpede områder ville kollapse til sorte huller.

Selvom teorien ikke vandt indpas i det bredere videnskabelige samfund - den nye undersøgelse tyder på, at hvis den ændres en smule, kan den trods alt have en forklaringskraft.

Hvis de fleste af de oprindelige sorte huller blev "født" i en størrelse på omkring 1,4 gange jordens sols masse, kunne de potentielt stå for alt mørkt stof, sagde Yale professor i astronomi og fysik Priyamvada Natarajan, avisens teoretiker.

Natarajan og hendes kolleger siger, at deres nye model viser, at de første stjerner og galakser ville være dannet omkring sorte huller i det tidlige univers. Også, sagde hun, ville oprindelige sorte huller have haft evnen til at vokse til supermassive sorte huller ved at nyde gas og stjerner i deres nærhed eller ved at smelte sammen med andre sorte huller.

"Primordiale sorte huller, hvis de eksisterer, kunne meget vel være frøene, hvorfra alle supermassive sorte huller dannes, inklusive det i midten af ​​Mælkevejen," sagde Natarajan.

"Det, som jeg personligt synes er super spændende ved denne idé, er, hvordan den elegant forener de to virkelig udfordrende problemer, som jeg arbejder på - det at undersøge naturen af ​​mørkt stof og dannelsen og væksten af ​​sorte huller - og løser dem i ét hug, " tilføjede hun.

James Webb-teleskopets mission vil være at finde de første galakser, der blev dannet i det tidlige univers og se stjerner danne planetsystemer.

Den nye undersøgelses første forfatter er Nico Cappelluti, en tidligere postdoc-stipendiat ved Yale Center for Astronomy &Astrophysics Prize, som nu er assisterende professor i fysik ved University of Miami. Günther Hasinger, ESA's direktør for videnskab, er undersøgelsens anden forfatter.

"Vores undersøgelse viser, at uden at introducere nye partikler eller ny fysik, kan vi løse mysterier i moderne kosmologi fra selve mørkt stofs natur til oprindelsen af ​​supermassive sorte huller," sagde Cappelluti.

Primordiale sorte huller kan også løse et andet kosmologisk puslespil:overskuddet af infrarød stråling, synkroniseret med røntgenstråling, som er blevet detekteret fra fjerne, dunkle kilder spredt rundt i universet. Natarajan og hendes kolleger sagde, at voksende, oprindelige sorte huller ville præsentere "præcis" den samme strålingssignatur.

Det bedste af det hele er, at eksistensen af ​​primordiale sorte huller kan bevises – eller modbevises – i den nærmeste fremtid, takket være James Webb Space Telescope og ESA's Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-mission, der blev annonceret for 2030'erne.

Hvis mørkt stof består af oprindelige sorte huller, ville der være dannet flere stjerner og galakser omkring dem i det tidlige univers - netop den epoke, som James Webb-teleskopet vil kunne se. LISA vil i mellemtiden være i stand til at opfange gravitationsbølgesignaler fra tidlige sammensmeltninger af primordiale sorte huller.

"Hvis de første stjerner og galakser allerede blev dannet i den såkaldte 'mørke tidsalder', burde Webb være i stand til at se beviser for dem," sagde Hasinger.

Natarajan tilføjede:"Det var uimodståeligt at udforske denne idé dybt, velvidende at den havde potentialet til at blive valideret ret hurtigt."