Godine 2023. subatomska čestica nazvana neutrino udarila je u Zemlju s toliko visokom energijom da je to prema postojećim modelima trebalo biti nemoguće. Zapravo, u svemiru ne postoje poznati izvori sposobni proizvesti takvu energiju – ona je bila 100.000 puta veća od energije najsnažnije čestice ikad stvorene u Velikom hadronskom sudaraču (LHC), najmoćnijem ubrzivaču čestica na svijetu. Međutim, tim fizičara sa Sveučilišta Massachusetts Amherst nedavno je postavio hipotezu da bi se nešto ovakvo moglo dogoditi kada eksplodira posebna vrsta crne rupe, nazvana “kvazi-ekstremna primordijalna crna rupa“.
U novom istraživanju objavljenom u časopisu Physical Review Letters, tim ne samo da nudi objašnjenje za ovaj inače nemoguć neutrino, već pokazuje da bi ta elementarna čestica mogla otkriti fundamentalnu prirodu svemira.
Od kolapsa zvijezda do ranog svemira
Crne rupe postoje i imamo dobro razumijevanje njihovog životnog ciklusa: stara, velika zvijezda potroši svoje gorivo, implodira u masivnoj i snažnoj supernovi te iza sebe ostavi područje prostorvremena s toliko intenzivnom gravitacijom da ništa, pa ni svjetlost, ne može pobjeći. Te su crne rupe nevjerojatno teške i u suštini stabilne.
No, kako je fizičar Stephen Hawking istaknuo 1970. godine, druga vrsta crne rupe – primordijalna crna rupa (PBH) – mogla je nastati ne kolapsom zvijezde, već iz primordijalnih uvjeta svemira nedugo nakon Velikog praska.
Primordijalne crne rupe (PBH) za sada postoje isključivo u teorijskim modelima. Iako dijele ekstremnu gustoću sa standardnim crnim rupama – zbog čega im ništa ne može pobjeći – one bi mogle biti znatno manje mase od bilo koje crne rupe koju smo dosad promatrali. Štoviše, Stephen Hawking je još 1970-ih pokazao da bi takvi objekti, ako postanu dovoljno vrući, mogli polako ispuštati čestice kroz proces danas poznat kao “Hawkingovo zračenje“.
Eksplozivni kraj isparavanja
“Što je crna rupa lakša, to je toplija i emitira više čestica”, objašnjava Andrea Thamm, docentica fizike na UMass Amherstu i suautorica novog istraživanja. “Kako PBH isparava, gubi masu i postaje sve toplija, što dovodi do nekontroliranog ispuštanja zračenja koje kulminira eksplozijom. Upravo je to Hawkingovo zračenje ono što bi naši teleskopi mogli detektirati.”
Kada bismo zabilježili takvu eksploziju, dobili bismo definitivan popis svih subatomskih čestica u svemiru – od onih poznatih, poput elektrona, kvarkova i Higgsovih bozona, do onih hipotetskih, poput čestica tamne tvari, pa sve do onih koje su znanosti još uvijek potpuna nepoznanica. Tim s UMass Amhersta ranije je izračunao da bi se takve eksplozije mogle događati iznenađujuće često – otprilike jednom u desetljeću – te da bi ih naši trenutni instrumenti, uz dovoljno pažnje, mogli registrirati.
Sve je to zvučalo kao dobra teorija, sve dok 2023. godine eksperiment KM3NeT nije uhvatio “nemogući” neutrino, upravo onu vrstu dokaza koju je tim s UMass Amhersta predvidio.
No, pojavio se problem: sličan eksperiment, IceCube, dizajniran za lov na visokoenergetske kozmičke neutrine, nije zabilježio taj događaj. Štoviše, nikada nije detektirao ništa ni približno te snage. Ako je svemir doista prepun primordijalnih crnih rupa koje redovito eksplodiraju, zašto nismo zasuti kišom visokoenergetskih neutrina? Kako objasniti ovaj nesrazmjere u podacima?
Rješenje u “tamnom naboju”
“Vjerujemo da odgovor leži u primordijalnim crnim rupama s ‘tamnim nabojem’, koje nazivamo kvazi-ekstremnim primordijalnim crnim rupama”, objašnjava Joaquim Iguaz Juan, postdoktorand fizike na UMass Amherstu. Taj tamni naboj funkcionira slično kao poznata električna sila, ali uključuje hipotetsku, tešku verziju elektrona koju tim naziva “tamni elektron“.
“Iako postoje jednostavniji modeli primordijalnih crnih rupa, naš model je složeniji, što bi moglo značiti da vjernije odražava stvarnost”, ističe Michael Baker, suautor studije. “Uzbudljivo je vidjeti kako naš model uspijeva razjasniti fenomen koji je dosad bio potpuna enigma.” Thamm dodaje da se crne rupe s tamnim nabojem ponašaju drugačije od onih u jednostavnijim modelima, čime se napokon uspijevaju pomiriti naizgled proturječni eksperimentalni podaci.
Tim je uvjeren da njihov model ne rješava samo zagonetku neutrina, već nudi i odgovor na jedan od najvećih kozmoloških misterija – tamnu tvar. “Promatranja galaksija i kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja jasno ukazuju na postojanje tamne tvari”, kaže Baker. “Ako je naša hipoteza o tamnom naboju točna”, nadovezuje se Iguaz Juan, “to bi značilo da u svemiru postoji golema populacija ovih crnih rupa, što bi objasnilo svu nedostajuću masu u svemiru i bilo u skladu s ostalim astrofizičkim promatranjima.”
“Detekcija tog visokoenergetskog neutrina bila je prijelomni trenutak koji nam je otvorio novi prozor u svemir”, zaključuje Baker. “Možda smo upravo na pragu eksperimentalne potvrde Hawkingovog zračenja, ali i otkrića novih čestica izvan Standardnog modela te konačnog rješenja zagonetke tamne tvari.”
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.
