Jedno od najdubljih pitanja suvremene kozmologije glasi zašto u svemiru uopće postoji materija ili tvar u svemiru. Prema osnovnoj slici Velikog praska, tvar i antimaterija morale su nastati u jednakim količinama, što bi značilo da su se trebale gotovo potpuno međusobno poništiti. Novi teorijski rad sada predlaže drukčiji scenarij: u prvim trenucima kozmičke povijesti presudnu su ulogu možda imale eksplozije primordijalnih crnih rupa, događaji koji nisu samo poremetili tadašnju plazmu nego možda ostavili trag u samoj građi svemira.
Istraživači s Vrije Universiteit Brussel i MIT-a u novom radu vraćaju se u razdoblje kada svemir nije sadržavao ni zvijezde ni galaksije, nego užarenu kvark-gluonsku plazmu. Upravo u takvu gustom i vrućem kozmičkom okolišu, smatraju autori, lokalna područja povećane gustoće mogla su se izravno urušiti u primordijalne crne rupe, hipotetske objekte nastale u prvim sekundama nakon Velikog praska. Za razliku od crnih rupa koje danas nastaju kolapsom masivnih zvijezda, te su crne rupe mogle obuhvatiti vrlo širok raspon masa, od mikroskopskih do golemih.
Autori su se u ovom radu usredotočili na najmanje primordijalne crne rupe. Iako ih se obično opisuje kao objekte iz kojih ne može pobjeći ni svjetlost, teorija Hawkingova zračenja kaže da ipak postupno gube energiju. Pritom vrijedi obrnuta logika od one intuitivne: što je crna rupa manja, to je toplija i brže isparava. To znači da bi primordijalne crne rupe mase manje od 500 bilijuna grama do danas već morale potpuno nestati. Prema novoj analizi, međutim, njihov završetak nije bio miran ni postupan.
Kako završava takva crna rupa
Dosadašnji kozmološki modeli uglavnom su polazili od pretpostavke da primordijalna crna rupa pri kraju svojega postojanja energiju postupno predaje okolnoj plazmi, ostavljajući za sobom lokalno zagrijano područje. Novi rad nudi drukčiju sliku. Analiza hidrodinamike plazme oko crne rupe u završnoj fazi isparavanja upućuje na to da se energija ne oslobađa ravnomjerno, nego dovoljno snažno i koncentrirano da izazove izrazite gradijente tlaka.
Posljedica takva procesa je nastanak udarnog vala koji se velikom brzinom širi kroz okolnu plazmu. Autori taj razvoj opisuju kroz četiri faze. U prvoj crna rupa još postupno gubi masu i pritom oko sebe stvara šireću zonu zagrijane plazme. U drugoj, kada se dodatno smanji, preostalu energiju oslobađa gotovo trenutačno, u ultra-relativističkoj fazi koju opisuju Blandford-McKeejevim režimom.
Kako se udarni val širi, zahvaća sve više okolnog materijala i pritom usporava. Tada ulazi u treću fazu, koju autori opisuju Sedov-Taylorovim režimom, odnosno okvirom za nerelativističko širenje udarnog vala. U završnoj fazi njegova se energija postupno prenosi na okolnu plazmu, nakon čega se poremećaj gasi. Upravo u tom procesu autori vide moguću vezu s jednim od ključnih otvorenih pitanja moderne fizike.
Od udarnog vala do tvari
To pitanje vodi prema bariogenezi, nazivu za proces koji bi mogao objasniti zašto je u svemiru ostalo više tvari nego antimaterije. Prema standardnoj slici ranog svemira, obje su morale nastati u jednakim količinama, što bi u konačnici vodilo njihovu međusobnom poništenju. No to se očito nije dogodilo. U nekom je trenutku moralo doći do poremećaja koji je narušio tu ravnotežu i omogućio da tvar prevagne.
Autori novog rada moguće objašnjenje traže u elektroslaboj simetriji ranog svemira. Kada je temperatura tadašnje plazme pala ispod praga od 162 GeV, ta se simetrija narušavala. Prema njihovoj analizi, udarni valovi nastali u završnoj fazi isparavanja primordijalnih crnih rupa mogli su lokalno ponovno podići temperaturu iznad te granice. Time bi stvarali prolazna područja plazme u kojima se elektroslaba simetrija nakratko ponovno uspostavljala.
Upravo takvi lokalni i kratkotrajni izlazi iz toplinske ravnoteže spadaju među mehanizme koje fizičari već dugo traže kako bi objasnili zašto je tvar preživjela, a antimaterija nije. U tom smislu, eksplozije primordijalnih crnih rupa možda nisu bile tek usputna pojava iz najranije faze kozmičke povijesti, nego proces koji je sudjelovao u oblikovanju tvarnog sastava svemira kakav danas poznajemo.
Za sada je riječ o teorijskom prijedlogu, a ne o potvrđenom objašnjenju. Ipak, autori smatraju da je riječ o smjeru koji zaslužuje daljnju razradu, pa njegove posljedice za bariogenezu obrađuju i u popratnom radu. Ako se ta ideja pokaže održivom, pitanje nastanka tvari moglo bi se ubuduće promatrati drukčije, ne samo kroz hlađenje i širenje mladog svemira, nego i kroz eksplozivne završetke primordijalnih crnih rupa.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
