Hvad hvis mørkt stof bestod af en population af sorte huller svarende til dem, der blev opdaget af LIGO sidste år? En ny undersøgelse analyserer denne mulighed.
Kunstnerens koncept med uregelmæssige sorte huller via NASA.
Moderne astronomer mener, at en betydelig del af vores univers eksisterer i form af mørkt stof. Som alt andet ser mørke stoffer ud som en tyngdekrafttrækning, men det kan ikke ses. Hvis det findes, udsender det hverken lys eller nogen anden form for stråling, som forskere har opdaget. Videnskabsmænd har begunstiget teoretiske modeller, der bruger eksotiske massive partikler til at forklare mørkt stof, men indtil videre er der ingen observationsbeviser for, at dette er tilfældet. Den 24. maj 2016 annoncerede NASA en ny undersøgelse, der styrker ideen om en alternativ hypotese: mørkt stof kan være lavet af sorte huller.
Alexander Kashlinsky, en astrofysiker ved NASA Goddard, ledede den nye undersøgelse, som han sagde er:
... et forsøg på at samle et bredt sæt af ideer og observationer for at teste, hvor godt de passer, og pasningen er overraskende god. Hvis dette er korrekt, er alle galakser, inklusive vores egne, indlejret i en enorm sfære af sorte huller hver ca. 30 gange solens masse.
Der er flere måder at danne sorte huller på, men de involverer alle store materialetætheder. De sorte huller i Kashlinskys undersøgelse er det, der kaldes primordiale baghuller, antages at have dannet sig i den første brøkdel af et sekund efter Big Bang, da tryk og temperaturer var ekstremt høje. I løbet af denne tid kan små fluktuationer i massefylden muligvis have bragt det tidlige univers med sorte huller, og hvis ja, da universet ekspanderede, ville de oprindelige sorte huller forblive stabile, der eksisterede indtil vores tid.
I sin nye artikel peger Kashlinsky på to primære bevislinjer for, at disse sorte huller kan forklare den manglende mørke stof, der tænkes at gennemtrænge vores univers. Hans erklæring forklarer, at denne idé:
... stemmer overens med vores viden om kosmisk infrarød og røntgenbaggrund og kan muligvis forklare de uventede høje masser af fusionerende sorte huller, der blev opdaget sidste år.
Til venstre: Dette billede fra NASAs Spitzer-rumteleskop viser en infrarød udsigt over et himmelområde i stjernebilledet Ursa Major. Højre: Efter maskering af alle kendte stjerner, galakser og artefakter og forbedret det, der er tilbage, vises der en uregelmæssig baggrundsglød. Dette er den kosmiske infrarøde baggrund (CIB); lysere farver angiver lysere områder. Billede via NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard)
Den første bevislinje er en overdreven plethed i den observerede baggrundsglød af infrarødt lys.
I 2005 førte Kashlinsky et team af astronomer, der brugte NASAs Spitzer-rumteleskop for at udforske denne infrarøde baggrundsglød i den ene del af himlen. Hans hold konkluderede, at den observerede uklarhed sandsynligvis var forårsaget af det samlede lys fra de første kilder til at belyse universet for mere end 13 milliarder år siden. Så bliver spørgsmålet ... hvad var disse første kilder? Var primordiale sorte huller blandt dem?
Opfølgningsundersøgelser bekræftede, at denne kosmiske infrarøde baggrund (CIB) udviste lignende uventet ujævnhed i andre dele af himlen. I 2013 sammenlignede derefter en undersøgelse, hvordan den kosmiske røntgenbaggrund sammenlignede med den infrarøde baggrund i det samme himmelområde. Kashlinksys erklæring sagde:
… Den uregelmæssige glød af lavenergi-røntgenstråler i det matchede den velbrændte plethed. Det eneste objekt, vi kender til, der kan være tilstrækkeligt lysende over dette brede energiområde er et sort hul.
Undersøgelsen fra 2013 konkluderede, at urlige sorte huller må have været rigelige blandt de tidligste stjerner og udgør mindst omkring en ud af hver fem af de kilder, der bidrog til den kosmiske infrarøde baggrund.
Gå nu videre til 14. september 2015, og Kashlinskys anden række af bevis for, at urlige sorte huller udgør mørk materie. Denne dato - nu markeret i videnskabshistorie - er, da forskere ved Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -faciliteterne i Hanford, Washington og Livingston, Louisiana foretog en første nogensinde, ekstremt spændende opdagelse af gravitationsbølger. Et par fusionerende sorte huller, der er 1,3 milliarder lysår væk, menes at have produceret de bølger, der blev opdaget af LIGO sidste 14. september. Bølgerne er krusninger i rumtidsstoffet og bevæger sig med lyshastighed.
Ud over at være den første detektering af tyngdekraftsbølger nogensinde og antage, at LIGO-begivenheden er blevet fortolket korrekt, markerede denne begivenhed også den første direkte detektion af sorte huller. Som sådan gav den videnskabsmænd information om masserne i de individuelle sorte huller, som var 29 og 36 gange solens masse, plus eller minus omkring fire solmasser.
I sin nye undersøgelse påpegede Kashlinsky, at disse menes at være de omtrentlige masser af urlige sorte huller. Faktisk antyder han, at hvad LIGO måske har opdaget, var en fusion af urbane sorte huller.
Primordiale sorte huller, hvis de findes, kunne svare til de fusionerende sorte huller, der blev opdaget af LIGO-teamet i 2015. Denne computersimulering viser i langsom bevægelse, hvordan denne fusion ville have set ud på tæt hold. Ringen omkring de sorte huller, kaldet en Einstein-ring, stammer fra alle stjerner i et lille område direkte bag hullerne, hvis lys er forvrænget af gravitationslinser. Tyngdekraftsbølger detekteret af LIGO er ikke vist i denne video, skønt deres virkninger kan ses i Einstein-ringen. Tyngdekraftsbølger, der rejser ud bag de sorte huller, forstyrrer stjernebilleder, der består af Einstein-ringen, hvilket får dem til at snuble rundt i ringen, selv længe efter fusionen er afsluttet. Tyngdekraftsbølger, der kører i andre retninger, forårsager svagere, kortere levende sloshing overalt uden for Einstein-ringen. Hvis den afspilles i realtid, vil filmen vare cirka en tredjedel af et sekund. Billede via SXS-linse.
I sin nye artikel, der blev offentliggjort den 24. maj 2016 i The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analyserer, hvad der kunne være sket, hvis mørkt stof bestod af en population af sorte huller svarende til dem, der blev opdaget af LIGO. Hans erklæring konkluderede:
De sorte huller forvrider massefordelingen i det tidlige univers og tilføjer en lille svingning, der har konsekvenser hundreder af millioner af år senere, når de første stjerner begynder at dannes.
I store dele af universets første 500 millioner år forblev normal stof for varm til at samle sig ind i de første stjerner. Mørkt stof blev ikke påvirket af den høje temperatur, fordi det uanset dens natur primært interagerer gennem tyngdekraft. Sammensat af gensidig tiltrækning kollapsede mørkt stof først i klumper kaldet minihaloer, hvilket gav et gravitationsfrø, der gjorde det muligt for normal stof at ophobes. Varm gas kollapsede mod minihaloerne, hvilket resulterede i lommer af gas tæt nok til yderligere at kollapse på egen hånd i de første stjerner. viser, at hvis sorte huller spiller en del af mørkt stof, forekommer denne proces hurtigere og let producerer klumpen af detekterede i Spitzer-data, selvom kun en lille brøkdel af minihaloer formår at producere stjerner.
Da kosmisk gas faldt ned i minihaloerne, ville deres bestanddel af sorte huller naturligvis fange noget af det også. Materiale, der falder mod et sort hul, bliver varm og producerer i sidste ende røntgenstråler. Sammen kan infrarødt lys fra de første stjerner og røntgenstråler fra gas, der falder ned i mørke sorte sorte huller, tage højde for den observerede aftale mellem ujævnheden i og.
Lejlighedsvis vil nogle oprindelige sorte huller passere tæt nok til at blive fanget ind i binære systemer. De sorte huller i hver af disse binære miner vil over eoner udsende gravitationsstråling, miste orbitalenergi og spiral indad, og til sidst smelte de sammen til et større sort hul, som hændelsen LIGO observerede.