Egzotične crne rupe kao nusprodukt tamne tvari?

Za svaki kilogram materije koju možemo vidjeti – od računala na vašem stolu do udaljenih zvijezda i galaksija – postoji pet kilograma nevidljive materije koja ispunjava našu okolinu. Ova “tamna tvar” je tajanstvena supstanca koja izbjegava sve oblike izravnog promatranja, ali njezina prisutnost se osjeća kroz nevidljivo privlačenje vidljivih objekata.

---

Prije pedeset godina, fizičar Stephen Hawking ponudio je jednu ideju o tome što bi tamna tvar mogla biti: populacija crnih rupa koje su se mogle formirati ubrzo nakon Velikog praska. Takve “primordijalne” crne rupe ne bi bile divovi koje danas detektiramo, već mikroskopska područja ultraguste materije koja bi se formirala u prvoj kvintilijuniti dijelu sekunde nakon Velikog praska i potom kolabirala i raspršila širom svemira, povlačeći okolni prostor-vrijeme na način koji bi mogao objasniti tamnu tvar koju danas poznajemo.

Sada su fizičari s MIT-a otkrili da bi ovaj primordijalni proces također proizveo neke neočekivane suputnike: još manje crne rupe s neviđenim količinama nuklearne fizičke osobine poznate kao “boja naboja.” Ove crne rupe bile bi potpuno novo stanje materije koje bi vjerojatno isparilo djelić sekunde nakon što su se pojavile. Ipak, mogle su utjecati na ključnu kozmičku tranziciju: vrijeme kada su se prve atmoske jezgre kovale. Fizičari pretpostavljaju da su ove crne rupe mogle utjecati na ravnotežu fuzije jezgara, na način koji bi astronomi mogli detektirati budućim mjerenjima. Takvo promatranje bi uvjerljivo ukazalo na primordijalne crne rupe kao korijen sve tamne tvari danas.

“Iako ovih kratkotrajnih, egzotičnih stvorenja danas više nema, mogla su utjecati na kozmičku povijest na načine koji bi se danas mogli očitovati u suptilnim signalima,” kaže David Kaiser, Germeshausen profesor povijesti znanosti i profesor fizike na MIT-u. “Unutar ideje da se sva tamna tvar može objasniti crnim rupama, ovo nam daje nove stvari koje trebamo tražiti.” Kaiser i njegova suautorica, doktorandica MIT-a Elba Alonso-Monsalve, objavili su svoje istraživanje u časopisu Physical Review Letters.

Crne rupe koje danas poznajemo i detektiramo su proizvod kolapsa zvijezda, kada se središte masivne zvijezde urušava u sebe i formira područje toliko gusto da može saviti prostor-vrijeme tako da bilo što – čak i svjetlost – bude zarobljeno unutar. Takve “astrofizičke” crne rupe mogu biti nekoliko puta masivnije od Sunca ili čak mnogo milijardi puta masivnije.

Vrijeme prije zvijezda

Nasuprot tome, “primordijalne” crne rupe mogu biti mnogo manje i smatra se da su se formirale u vrijeme prije zvijezda. Prije nego što je svemir uopće stvorio osnovne elemente, a kamoli zvijezde, znanstvenici vjeruju da su džepovi ultraguste, primordijalne materije mogli akumulirati i kolabirati u mikroskopske crne rupe koje bi mogle biti toliko guste da stisnu masu asteroida u područje malo kao jedan atom. Gravitacijska privlačnost ovih malih, nevidljivih objekata raspršenih širom svemira mogla bi objasniti svu tamnu tvar koju danas ne možemo vidjeti.

Ako je to slučaj, od čega bi bile sastavljene te primordijalne crne rupe? To je pitanje na koje su Kaiser i Alonso-Monsalve odlučili odgovoriti svojim novim istraživanjem. “Ljudi su proučavali kako bi se mase crnih rupa raspodijelile tijekom ranog svemira, ali nisu razmatrali kakva bi materija mogla pasti u te crne rupe dok su se formirale,” objašnjava Kaiser. Fizičari s MIT-a prvo su pregledali postojeće teorije o vjerojatnoj distribuciji masa crnih rupa dok su se formirale u ranom svemiru.

Otkrili smo da postoji izravna veza između trenutka kada se primordijalna crna rupa formira i njezine mase,” kaže Alonso-Monsalve. “I taj vremenski okvir je nevjerojatno rano.” Alonso-Monsalve i Kaiser izračunali su da su se primordijalne crne rupe morale formirati u prvom kvintilijuniti dijelu sekunde nakon Velikog praska. Ovaj bljesak vremena bi proizveo “tipične” mikroskopske crne rupe koje su bile masivne kao asteroid i male kao atom. Također bi stvorio mali broj eksponencijalno manjih crnih rupa, s masom velikog vozila i veličinom mnogo manjom od jednog protona.

Od čega bi bile sastavljene primordijalne crne rupe?

Ali, od čega bi bile sastavljene te primordijalne crne rupe? Da bi to saznali, istraživači su se okrenuli proučavanju ranog svemira, posebno teoriji kvantne kromodinamike (QCD) koja proučava kako kvarkovi i gluoni međusobno djeluju. Kvarkovi i gluoni su osnovni gradivni blokovi protona i neutrona – elementarnih čestica koje su se kombinirale kako bi stvorile osnovne elemente periodnog sustava. Neposredno nakon Velikog praska, fizičari procjenjuju, prema QCD-u, da je svemir bio nevjerojatno vruća plazma kvarkova i gluona koja se brzo ohladila i kombinirala kako bi stvorila protone i neutrone.

Istraživači su otkrili da bi unutar prvog kvintilijuniti dijela sekunde svemir još uvijek bio “juha” slobodnih kvarkova i gluona koji se još nisu kombinirali. Sve crne rupe koje su se formirale u to vrijeme progutale bi nevezane čestice, zajedno s egzotičnim svojstvom poznatim kao “boja naboja” – stanje naboja koje nose samo nekombinirani kvarkovi i gluoni. “Kada smo shvatili da se ove crne rupe formiraju u kvark-gluonskoj plazmi, najvažnija stvar koju smo morali shvatiti bila je koliko boja naboja sadrži masa koja će završiti u primordijalnoj crnoj rupi,” kaže Alonso-Monsalve.

Plazma u ranom svemiru

Koristeći teoriju kvantne kromodinamike (QCD), izračunali su distribuciju boja naboja koja je trebala postojati u vrućoj, ranoj plazmi. Zatim su to usporedili s veličinom područja koje bi kolabiralo u crnu rupu u prvom kvintilijuniti dijelu sekunde. Ispostavilo se da ne bi bilo mnogo boja naboja u većini tipičnih crnih rupa u to vrijeme, jer bi se formirale apsorbirajući veliki broj područja koja su imala mješavinu naboja, što bi na kraju dovelo do “neutralnog” naboja.

Međutim, najmanje crne rupe bile bi prepune naboja boje. Zapravo, sadržavale bi maksimalnu količinu bilo koje vrste naboja dozvoljene za crnu rupu, prema temeljnim zakonima fizike. Dok su takve “ekstremne” crne rupe hipotezirane desetljećima, do sada nitko nije otkrio realističan proces kojim bi takve neobičnosti zapravo mogle nastati u našem svemiru.

Takve crne rupe brzo bi isparile, ali možda tek nakon vremena kada su se počele formirati prve atomske jezgre. Znanstvenici procjenjuju da je taj proces započeo oko jedne sekunde nakon Velikog praska, što bi dalo ekstremnim crnim rupama dovoljno vremena da poremete ravnotežne uvjete koji su vladali kada su se počele formirati prve jezgre. Takvi poremećaji mogli bi potencijalno utjecati na način na koji su se formirale te najranije jezgre, na načine koje bi mogli jednog dana promatrati.

“Ovi objekti mogli su ostaviti neke uzbudljive promatračke tragove,” objašnjava Alonso-Monsalve. “Mogli su promijeniti ravnotežu ovog naspram onoga, i to je nešto o čemu se može početi razmišljati.”