Primordijalne crne rupe možda su tamna tvar koju znanost još nije pronašla

U trenucima neposredno nakon Velikog praska, svemir je bio kaotična mješavina ekstremnih energija i gustoća. Među mogućim posljedicama tog stanja, neki znanstvenici smatraju da su tada mogle nastati tzv. primordijalne crne rupe — kompaktni objekti formirani iz sabijenih kvantnih fluktuacija, daleko prije nego što su postojale zvijezde ili galaksije.

Takve crne rupe, ako su bile dovoljno masivne, mogle bi preživjeti do danas. Prema teoriji Stephena Hawkinga iz 1975., crne rupe polako gube masu kroz proces kvantnog isparavanja — emitirajući energiju poput zagrijanog objekta. Taj proces, poznat kao Hawkingovo zračenje, s vremenom vodi do njihovog potpunog nestanka. No njegova se procjena temelji na pretpostavci da kvantni učinci koje to zračenje ima na samu crnu rupu nisu značajni, što možda nije slučaj.

Nova hipoteza, koju je razvio fizičar Gia Dvali, mijenja tu sliku. Ona uvodi koncept memorijskog opterećenja, prema kojem informacije unutar crne rupe djeluju stabilizirajuće, usporavajući njezino isparavanje. To bi značilo da primordijalne crne rupe mase ispod 10 milijuna kilograma, koje se prema Hawkingu trebale odavno raspasti, možda još uvijek postoje — i to kao kandidati za tamnu tvar, jednu od najvećih zagonetki moderne kozmologije.

Gravitacijski valovi kao tragovi drevne tame

Unatoč desetljećima pokušaja, eksperimentalni tragovi tamne tvari izostaju. Niti sudarači čestica, niti detektori u ledu Antarktike, niti teleskopi u orbiti nisu pronašli čvrst dokaz o postojanju čestica koje bi odgovarale predviđenim modelima. Zbog toga raste interes za tzv. makroskopske kandidate — objekte koji s tamnom tvari komuniciraju isključivo gravitacijski, poput primordijalnih crnih rupa.

Znanstvenici iz Japana, predvođeni Kazunorijem Kohrijem iz Nacionalnog astronomskog opservatorija u Tokiju, predložili su novi način otkrivanja tih hipotetskih objekata: pomoću gravitacijskih valova koje su proizvele prostorno-vremenske fluktuacije odgovorne za njihovo nastajanje. Njihova analiza, objavljena u časopisu Physical Review D, opisuje kako bi spektri tih valova mogli izgledati danas te koje bi detektorske osjetljivosti bile potrebne za njihovo bilježenje.

Kohrijev tim fokusirao se na crne rupe mase između 100 kilograma i 10 milijuna kilograma — dovoljno male da su ih dosadašnji eksperimenti zanemarili, ali dovoljno velike da bi mogle preživjeti ako efekt memorijskog opterećenja doista djeluje.

Njihovi izračuni pokazuju da bi valovi koje takve crne rupe induciraju mogli imati frekvencije unutar dometa budućih gravitacijskih opservatorija poput LISA (ESA), DECIGO (Japan) ili BBO (nasljednik LISA-e). Neki valovi mogli bi dosegnuti frekvencije do 30 megaherca — znatno izvan dometa sadašnjih detektora poput američkih LIGO uređaja, ali s jasnim “tragom u infracrvenom”, koji bi bio zamjetan i u nižim frekvencijama dostupnim planiranim detektorima.

Kohrijevi grafovi prikazuju očekivane spektre valova i omjere signal-šum za jednogodišnja opažanja. Autori također nude kriterije prema kojima bi se moglo potvrditi ili odbaciti postojanje tamne tvari u obliku memorijski opterećenih primordijalnih crnih rupa. Ipak, nelinearna dinamika samih objekata još nije u potpunosti razjašnjena, što znači da buduća mjerenja mogu pomoći ne samo u potrazi za tamnom tvari, već i u boljem razumijevanju same kvantne gravitacije.

Ako su u prvim trenucima svemira doista nastale crne rupe koje nisu isparile, možda upravo sada kruže galaksijom, nevidljive, ali ne i neotkrivene. Na njihov trag možda nas neće dovesti svjetlost, već valovi u tkanini svemira — tihi podsjetnik na dramatičan početak vremena.