Římský dalekohled hledá prvotní černé díry

NASANancy Grace Římský vesmírný dalekohled Může odhalit dříve nezjištěné černé díry „peříčkové“ s hmotností podobnou Zemi. Tyto primordiální černé díry, které se zformovaly na počátku vesmíru, by mohly výrazně ovlivnit naše chápání astronomie a fyziky částic a potenciálně vysvětlit některé temné hmoty ve vesmíru.

Astronomové objevili černé díry s hmotností od několikanásobku hmotnosti Slunce až po desítky miliard. Nyní skupina vědců předpověděla, že římský vesmírný teleskop NASA Nancy Grace bude schopen najít třídu černých děr s „peříčkovou hmotností“, která dosud unikala objevu.

Dnes se černé díry tvoří buď při kolapsu hmotné hvězdy nebo při splynutí hmotných objektů. Vědci se však domnívají, že menší „prapůvodní“ černé díry, včetně některých s hmotností podobnou Zemi, mohly vzniknout v prvních chaotických okamžicích raného vesmíru.

„Objev populace primordiálních černých děr o hmotnosti Země by byl úžasným krokem pro astronomii i částicovou fyziku, protože tyto objekty nemohly vzniknout žádným známým fyzikálním procesem,“ řekl William DiRocco, postdoktorandský výzkumník na UC Santa Fe. Cruz, který vedl studii o tom, jak je Římané odhalili. Papír popisující výsledky Vyšlo to v časopise Fyzická kontrola d. „Pokud je najdeme, otřese to polem teoretické fyziky.“

Původní recept na černou díru

Nejmenší černé díry, které se dnes tvoří, se rodí, když hmotné hvězdě dojde palivo. Jeho vnější tlak se snižuje s poklesem jaderné fúze, takže vnitřní gravitace vítězí v přetahování lanem. Hvězda se smršťuje a může být tak hustá, že se… Černá díra.

Je však vyžadována minimální hmotnost: nejméně osminásobek hmotnosti našeho Slunce. Lehčí hvězdy se promění buď v bílé trpaslíky nebo neutronové hvězdy.

Podmínky ve velmi raném vesmíru však mohly umožnit vznik mnohem lehčích černých děr. Osoba vážící hmotnost Země by měla horizont událostí – bod, odkud není návratu pro padající předměty – což je zhruba šířka amerického desetníku.

Právě když se vesmír zrodil, vědci věří, že prošel krátkou, ale intenzivní fází známou jako inflace, kdy se vesmír rozpínal rychleji než rychlost světla. Za těchto speciálních podmínek se oblasti, které byly hustší než okolní oblasti, mohly zhroutit a vytvořit primordiální černé díry s nízkou hmotností.

Zatímco teorie předpovídá, že ti nejmenší by se museli vypařit, než by vesmír dosáhl svého současného věku, ty s hmotností podobnou Zemi by přežily.

Objev těchto malých objektů bude mít obrovský dopad na fyziku a astronomii.

„To ovlivní vše od vzniku galaxií přes obsah temné hmoty ve vesmíru až po kosmickou historii,“ řekl Kailash Sahu, astronom z Space Telescope Science Institute v Baltimoru, který se na studii nepodílel. „Potvrzení jejich identity bude tvrdá práce a astronomové budou potřebovat hodně přesvědčování, ale bude to stát za to.“

Rady od skrytých majitelů domů

Pozorování již odhalila důkazy, že takové objekty mohou číhat v naší galaxii. Primordiální černé díry mohou být neviditelné, ale vrásky v časoprostoru pomohly zachytit některé potenciální podezřelé.

Mikročočka je pozorovací efekt způsobený přítomností hmoty narušující tkaninu časoprostoru, jako je otisk zanechaný bowlingovou koulí při umístění na trampolíně. Kdykoli se objekt z naší perspektivy zdá, že se pohybuje blízko hvězdy v pozadí, světlo hvězdy musí procházet pokřiveným časoprostorem kolem objektu. Pokud je zarovnání obzvláště blízké, může objekt fungovat jako přirozená čočka, zaostřující a zesilující světlo hvězdy v pozadí.

Samostatné skupiny astronomů jej našly pomocí dat z MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – spolupráce, která provádí pozorování mikročoček pomocí observatoře Mount John University na Novém Zélandu – a OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment). Neočekávaně velké množství izolovaných objektů o hmotnosti Země.

Teorie planetárního formování a evoluce předpovídají určité hmotnosti a početnost nepoctivých planet – světů putujících galaxií nepřipoutaných ke hvězdě. Pozorování MOA a OGLE naznačují, že galaxií se pohybuje více objektů o hmotnosti Země, než modely předpovídají.

Koncept tohoto umělce využívá fantazijní přístup k představě malých prvotních černých děr. Ve skutečnosti by takové malé černé díry měly potíže s vytvořením akrečních disků, díky nimž jsou zde viditelné. Zdroj: NASA Goddard Space Flight Center

„Neexistuje způsob, jak rozlišovat mezi černými dírami o hmotnosti Země a darebnými planetami případ od případu,“ řekl DiRocco. Vědci ale očekávají, že Roman najde řadu objektů v tomto hmotnostním rozsahu desetkrát větších než pozemské dalekohledy. „Roman by byl velmi silný v rozlišování mezi těmito dvěma statisticky.“

DiRocco vedl úsilí, aby určil, kolik nebezpečných planet by muselo být v tomto hmotnostním rozsahu a kolik prvotních černých děr mezi nimi Římané dokázali rozlišit.

Nalezení primordiálních černých děr by odhalilo nové informace o velmi raném vesmíru a silně by naznačovalo, že již nastalo rané období inflace. Mohlo by to také vysvětlit malé procento tajemné temné hmoty, která podle vědců tvoří většinu hmoty vesmíru, ale kterou zatím nebyli schopni identifikovat.

„Toto je vzrušující příklad něčeho, co může udělat více vědců s daty, které Roman již bude mít během svého planetárního pátrání,“ řekl Sahu. „Výsledky jsou zajímavé, ať už vědci najdou důkazy o černých dírách o hmotnosti Země, nebo ne.“

Odkaz: „Detekce prvotních černých děr o hmotnosti Země pomocí Nancy Grace Roman Space Telescope“ od Williama DiRocca, Evana Frangipaniho, Nicka Hammera, Stefana Profuma a Nolana Smitha, 8. ledna 2024, Fyzická kontrola d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace je provozován v Goddardově vesmírném letovém středisku NASA v Greenbeltu, Maryland, za účasti NASA Jet Propulsion Laboratory, Caltech/IPAC v jižní Kalifornii, Space Telescope Science Institute v Baltimoru a vědeckého týmu, který zahrnuje vědce z okolo světa. Výzkumné ústavy. Primárními průmyslovými partnery jsou BAE Systems, Inc. z Boulderu, Colorado; L3Harris Technologies v Rochesteru, New York; a Teledyne Scientific & Imaging v Thousand Oaks v Kalifornii.