Najenergičniji neutrino dosad zabilježen mogao je nastati u završnom izboju primordijalne crne rupe, predlažu fizičari. Ako se to potvrdi, riječ bi mogla biti o prvom opažanju Hawkingova zračenja te snažnom argumentu da crne rupe iz ranog svemira (primordijalne crne rupe) čine tamnu tvar.
Neutrino je subatomska čestica slična elektronu, ali bez električnog naboja i s iznimno malom masom, možda čak i nultom. Upravo zbog toga prolazi kroz materiju gotovo bez ikakve interakcije. Premda su najbrojnija vrsta čestica u svemiru, njihova detekcija iznimno je zahtjevna.
Nedavno su međunarodni timovi istraživača zabilježili neutrino s najvećom ikad izmjerenom energijom. Taj događaj predstavlja znanstvenu prekretnicu, no podrijetlo te čestice zasad je nepoznato. Upravo tu prazninu pokušava ispuniti nova MIT-ova studija.
Primordijalne crne rupe i Hawkingovo zračenje
U studiji objavljenoj u časopisu Physical Review Letters, MIT-ovi fizičari Alexandra Klipfel i David Kaiser tvrde da bi najenergičniji do sada detektirani neutrino mogao potjecati iz eksplozije primordijalne crne rupe.
Primordijalne crne rupe su hipotetski objekti koji su se mogli formirati neposredno nakon Velikog praska. Za razliku od supermasivnih crnih rupa u središtima galaksija ili crnih rupa zvjezdane mase, primordijalne crne rupe bile bi mikroskopske. Dio znanstvenika smatra da bi one mogle činiti većinu ili čak cjelokupnu tamnu tvar, nevidljivu komponentu koja predstavlja 85 posto sve materije u svemiru.
Prema teoriji Stephena Hawkinga, sve crne rupe polako gube masu kroz proces zračenja. Što je crna rupa manja, to brže isijava i zagrijava se. U završnoj fazi taj proces ubrzava do trenutka eksplozije u kojoj nastaju čestice ekstremnih energija, među njima i neutrini.
U veljači je međunarodna suradnja KM3NeT, koja upravlja podvodnim neutrinim teleskopom smještenim na dnu Sredozemnog mora, objavila detekciju neutrina energije veće od 100 petaelektronvolta (PeV). Jedan PeV jednak je kvadrilijunu elektronvolta.
“To je razina energije daleko iznad svega što ljudi mogu proizvesti u akceleratorima čestica”, objašnjava Alexandra Klipfel. “Još uvijek ne postoji konsenzus o mogućem izvoru tako ekstremnih čestica.”
Ranije je opservatorij IceCube, smješten duboko u antarktičkom ledu, zabilježio nekoliko neutrina vrlo visokih energija, iako ne tako velikih kao u KM3NeT-u. Učestalost tih događaja sugerirala je da bi pojava još snažnijeg neutrina trebala biti izuzetno rijetka. Upravo zato nova detekcija izazvala je rasprave i neslaganja, takozvanu “napetost u podacima”, jer se opažanja dvaju instrumenata teško uklapaju u zajednički okvir.
Mogu li crne rupe sve objasniti?
Klipfel i Kaiser postavili su pitanje: može li eksplozija primordijalne crne rupe istodobno objasniti i nekoliko neutrina zabilježenih u IceCubeu i rekordni događaj iz KM3NeT-a?
Ako bi to bilo točno, znanstvenici bi možda svjedočili prvim tragovima Hawkingova zračenja, dosad samo teorijski predviđenog procesa. Time bi se otvorila mogućnost da su primordijalne crne rupe doista stvarne i da tvore glavninu tamne tvari.
Kako bi testirali hipotezu, istraživači su izračunali kakve bi čestice emitirala crna rupa u završnim trenucima života. Velike crne rupe zrače vrlo sporo i emitiraju niskoenergetske čestice koje je gotovo nemoguće detektirati. No minijaturne primordijalne crne rupe bile bi iznimno “vruće” i u zadnjim nanosekundama trebale bi osloboditi eksploziju čestica vrlo visokih energija.
Prema izračunima, u posljednjoj djeliću sekunde svog postojanja crna rupa manja od atoma mogla bi proizvesti nezamislivo velik broj čestica, otprilike sto milijardi trilijuna neutrina. Svaki od njih imao bi energiju usporedivu s onom koju je nedavno zabilježio detektor KM3NeT.
Kako bi objasnili IceCubeove rezultate, znanstvenici su procijenili da bi u našem dijelu Mliječne staze trebalo dolaziti do otprilike tisuću takvih eksplozija godišnje po kubičnom parseku (jedan parsek jednak je oko tri svjetlosne godine).
Blizina eksplozije
Daljnji proračuni pokazali su da bi eksplozija trebala biti udaljena oko 2000 astronomskih jedinica od Sunca, što je 2000 puta veća udaljenost od razmaka Zemlje i Sunca, kako bi emitirani neutrini mogli dosegnuti Zemlju i proizvesti opaženi događaj.
Čestice se šire u svim smjerovima, no postoji oko osam posto vjerojatnosti da se takva eksplozija dogodi dovoljno blizu Sunčeva sustava jednom u 14 godina.
“Osam posto možda ne zvuči mnogo, ali dovoljno je da se scenarij uzme ozbiljno. Pogotovo zato što do sada nije ponuđeno drugo objašnjenje koje može pokriti i visokoenergetske neutrine iz IceCubea i ekstremni događaj iz KM3NeT-a”, kaže David Kaiser.
Hipoteza zasad ostaje teorijska. Kako bi se potvrdila, bit će potrebna daljnja opažanja neutrina još viših energija te prikupljanje statistički značajnog broja događaja.
“Ako želimo izravno promatrati Hawkingovo zračenje, najmanje primordijalne crne rupe naša su najbolja prilika”, ističe Klipfel.
Potvrda bi značila prvo opažanje Hawkingova zračenja u povijesti i čvrst dokaz da primordijalne crne rupe čine tamnu tvar. To bi riješilo jednu od najvećih zagonetki moderne fizike i kozmologije.
“To bi bio dokaz bez presedana, temeljni stup našeg razumijevanja crnih rupa, ali i potencijalno rješenje pitanja tamne tvari”, zaključuje Kaiser.
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.
