Primordijalne crne rupe ne treba odbaciti kao objašnjenje tamne tvari samo zato što neki modeli njihova nastanka zahtijevaju iznimno precizno podešene parametre. Analiza fizičara Stefana Profuma pokazuje da pojedini scenariji s takvim crnim rupama nisu osjetljiviji na promjene ulaznih vrijednosti od često proučavanih modela čestične tamne tvari.
Profumo je u radu objavljenom 10. rujna u časopisu Physical Review D primijenio zajedničke matematičke kriterije na različite načine nastanka crnih rupa i na hipotetske čestice tamne tvari. Usporedba pokazuje da zahtjev za preciznim podešavanjem ovisi o pojedinom modelu, a ne samo o izboru između čestica i crnih rupa. Riječ je o teorijskoj analizi, bez novoga opažačkog dokaza o sastavu tamne tvari.
Tamna tvar očituje se gravitacijskim utjecajem na vidljivu materiju, ali njezina priroda ostaje nepoznata. Jedna skupina modela pretpostavlja nove čestice, a druga crne rupe nastale u vrlo ranom svemiru, prije prvih zvijezda. Za njihov nastanak nije nužan završetak života masivne zvijezde.
Što fizičari misle pod finim podešavanjem?
Teorija može dati traženu količinu tamne tvari samo za određene vrijednosti mase, jakosti međudjelovanja ili drugih parametara. Ako vrlo mala promjena jednoga od njih dramatično promijeni rezultat, model traži precizno podešavanje. Kada se rezultat pri sličnim promjenama mijenja postupno, manje je osjetljiv na izbor početnih vrijednosti.
Profumo je tu osjetljivost usporedio pomoću Barbieri–Giudiceove mjere i dvaju dodatnih kriterija. Pitao je koliko se predviđena količina tamne tvari mijenja kada se ulazni parametar malo promijeni u relativnom iznosu. U svim je modelima uspoređivao predviđanja s istom opaženom količinom tamne tvari.
Objavljeni rad obuhvaća tri mehanizma nastanka primordijalnih crnih rupa izvan inflacijskih scenarija, šest skupina inflacijskih modela te sedam primjera čestične tamne tvari. Inflacija je hipotetsko razdoblje vrlo brzog širenja ranog svemira. U nekim modelima pojačava razlike u gustoći dovoljno da se pojedina područja uruše u crne rupe.
U objema skupinama pronašao je modele koji slabo reagiraju na promjene parametara, ali i one u kojima se rezultat naglo mijenja. Presudan je način na koji matematički opis povezuje početne parametre s konačnom količinom tamne tvari.
I čestični modeli mogu biti vrlo osjetljivi
Jedan od povoljnijih primjera jest nastanak crnih rupa urušavanjem mreža domenskih zidova. To su hipotetske granice između područja u kojima fizikalno polje poprima različite vrijednosti. U razmatranom opisu takav scenarij ima malu osjetljivost, usporedivu s nekim čestičnim modelima.
Suprotan primjer među čestičnim kandidatima jest model u kojem se čestice tamne tvari poništavaju preko rezonancije povezane s Higgsovim bozonom. U blizini rezonancije mala promjena parametara može snažno promijeniti učinkovitost poništavanja, a time i količinu čestica preostalih u svemiru. Dobivanje tražene količine u takvom modelu može zahtijevati vrlo precizan odabir vrijednosti.
I među crnim rupama razlike su velike. Scenariji povezani s ranim razdobljem dominacije materije imaju umjerenu osjetljivost, dok određeni inflacijski modeli reagiraju mnogo snažnije. Učinak može biti višestruk: početni parametri utječu na fluktuacije gustoće, a oni zatim određuju vjerojatnost urušavanja.
To objašnjava zašto se nepovoljan rezultat jednoga scenarija ne može automatski prenijeti na sve primordijalne crne rupe. Ni povoljan rezultat jednoga modela ne vrijedi za cijelu skupinu čestičnih kandidata. Sveučilište Kalifornije u Santa Cruzu istaknulo je upravo tu razliku pri predstavljanju Profumova rada.
Osjetljivost nije dokaz da je model točan
Izračun mala odstupanja ispituje unutar odabranoga modela i raspona njegovih parametara. Slaba osjetljivost u tom rasponu ne pokazuje koliko je cijeli mehanizam nastanka vjerojatan. Za takvu bi procjenu trebalo odrediti i koliko su različite početne vrijednosti fizički opravdane ili očekivane.
Razlike se pojavljuju i kada se pojedini proces opiše točnije. U objavljenom radu Profumo navodi da napredniji proračun nastanka crnih rupa pri faznim prijelazima daje veću osjetljivost od jednostavnije aproksimacije. Sama oznaka mehanizma stoga nije dovoljna za konačnu procjenu njegova finog podešavanja.
Profumo kao mogući nastavak predlaže usporedbu koja bi uključila i pretpostavke o raspodjeli početnih parametara. Takav bi proračun, uz osjetljivost modela, omogućio i procjenu vjerojatnosti pojedinih rješenja. Za utvrđivanje prirode tamne tvari i dalje su potrebni opažački ili eksperimentalni dokazi.
