A római teleszkóp ősi fekete lyukakat keres

Egy készülő román űrteleszkóp a „pehelysúlyú” fekete lyukak új osztályát fedheti fel, megkérdőjelezve a fekete lyukak kialakulásával kapcsolatos jelenlegi elméleteket. Ezek a földtömegű fekete lyukak, ha léteznek, fontos következményekkel járhatnak a korai univerzumról és a sötét anyag természetéről szóló ismereteinkben. Forrás: NASA Goddard Space Flight Center

NASANancy Grace Római űrtávcső Előfordulhat, hogy korábban fel nem fedezett „pehelysúlyú” fekete lyukakat tár fel, amelyek tömege hasonló a Földéhez. Ezek az ősi fekete lyukak, amelyek az univerzum kezdetén keletkeztek, nagymértékben befolyásolhatják a csillagászat és a részecskefizika megértését, és potenciálisan megmagyarázhatják az univerzum sötét anyagának egy részét.

A csillagászok fekete lyukakat fedeztek fel, amelyek tömege a Nap tömegének néhányszorosától több tízmilliárdig terjed. Most tudósok egy csoportja azt jósolta, hogy a NASA Nancy Grace római űrteleszkópja képes lesz megtalálni a „pehelysúlyú” fekete lyukak egy osztályát, amely eddig elkerülte a felfedezést.

Ma fekete lyukak akkor keletkeznek, amikor egy hatalmas csillag összeomlik, vagy amikor hatalmas objektumok egyesülnek. A tudósok azonban azt gyanítják, hogy a korai univerzum első kaotikus pillanataiban kialakulhattak kisebb „ős” fekete lyukak, köztük néhány a Földéhez hasonló tömegű.

„A Földtömegű ősfekete lyukak populációjának felfedezése elképesztő lépés lenne mind a csillagászat, mind a részecskefizika számára, mivel ezek az objektumok semmilyen ismert fizikai folyamattal nem jöhettek létre” – mondta William DiRocco, az UC Santa Fe posztdoktori kutatója. Cruz, aki egy tanulmányt vezetett arról, hogyan észlelték őket a rómaiak. Az eredményeket leíró papír A folyóiratban megjelent Fizikai áttekintés d. „Ha megtaláljuk őket, az felrázza az elméleti fizika területét.”

A Földtömegű ősfekete lyukak felfedezése a NASA római űrteleszkópja segítségével megváltoztathatja a világegyetemről és a sötét anyagról alkotott képünket. Forrás: NASA Goddard Space Flight Center

Ősi fekete lyuk recept

A ma kialakuló legkisebb fekete lyukak akkor születnek, amikor egy hatalmas csillagból kifogy az üzemanyag. Külső nyomása a magfúzió csökkenésével csökken, így a belső gravitáció nyeri a kötélhúzást. A csillag összehúzódik, és olyan sűrűvé válhat, hogy… Fekete lyuk.

De van egy minimális tömeg szükséges: Napunk tömegének legalább nyolcszorosa. A világosabb csillagok vagy fehér törpékké vagy neutroncsillagokká alakulnak.

A korai univerzum körülményei azonban lehetővé tették, hogy sokkal könnyebb fekete lyukak keletkezzenek. Egy embernek, aki a Föld tömegét méri, olyan eseményhorizontja van – ahonnan a zuhanó tárgyak nem térnek vissza –, amely nagyjából egy amerikai fillér szélessége.

Ahogy az univerzum megszületett, a tudósok úgy vélik, hogy az inflációnak nevezett rövid, de intenzív fázison ment keresztül, amikor a világűr a fénysebességnél gyorsabban tágult. Ilyen különleges körülmények között a környező régióknál sűrűbb régiók összeomlhattak, és kis tömegű ősfekete lyukakat képeztek.

Míg az elmélet azt jósolja, hogy a legkisebbeknek el kell párologniuk, mielőtt az univerzum elérné jelenlegi korát, a Földhöz hasonló tömegűek túlélték volna.

Ezeknek a kis tárgyaknak a felfedezése óriási hatással lesz a fizikára és a csillagászatra.

„Ez mindenre hatással lesz a galaxisok kialakulásától az univerzum sötétanyag-tartalmán át a kozmikus történelemig” – mondta Kailash Sahu, a baltimore-i Space Telescope Science Institute csillagásza, aki nem vett részt a tanulmányban. „A személyazonosságuk megerősítése kemény munka lesz, és a csillagászoknak sok meggyőzésre lesz szükségük, de megéri.”

Stephen Hawking feltételezte, hogy a fekete lyukak lassan összehúzódhatnak, ahogy a sugárzás kiszökik. A ma Hawking-sugárzásnak nevezett sugárzás lassú szivárgása idővel a fekete lyuk egyszerűen elpárologtatását okozza. Ez az infografika mutatja a becsült élettartamot és eseményhorizontokat – azt a pontot, amelyen túl a lezuhanó tárgyak már nem tudnak kiszabadulni a fekete lyuk gravitációs szorításából – és a különböző kis tömegű fekete lyukak átmérőjét. Forrás: NASA Goddard Space Flight Center

Tippek a rejtett lakástulajdonosoktól

A megfigyelések már bizonyítékokat tártak fel arra vonatkozóan, hogy ilyen objektumok lappanghatnak galaxisunkban. Lehet, hogy az ősfekete lyukak láthatatlanok, de a téridő ráncai segítettek elkapni néhány potenciális gyanúsítottat.

A mikrolencsék egy megfigyelési hatás, amelyet a tömeg jelenléte okoz, amely torzítja a téridő szövetét, mint például a trambulinra helyezett bowlinglabda által hagyott lenyomat. Valahányszor úgy tűnik, hogy egy objektum a mi szemszögünkből közel sodródik egy háttércsillaghoz, a csillag fényének át kell haladnia az objektum körüli elvetemült téridőn. Ha az igazítás különösen közel van, a tárgy természetes lencseként működhet, fókuszálva és felerősítve a háttércsillag fényét.

Csillagászok külön csoportja találta meg a MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) – egy együttműködés, amely mikrolencsés megfigyeléseket végez az új-zélandi Mount John Egyetem Obszervatóriumában – és az OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) adatai alapján. Váratlanul sok elszigetelt földtömegű objektum.

A bolygóképződéssel és evolúcióval kapcsolatos elméletek a szélhámos bolygók bizonyos tömegét és bőségét jósolják – olyan világok, amelyek a galaxisban egy csillaghoz kötve vándorolnak. A MOA és OGLE megfigyelések azt mutatják, hogy több földtömegű objektum sodródik át a galaxisban, mint amennyit a modellek előre jeleznek.

Ez a művész koncepciója fantáziaszerű megközelítést alkalmaz az apró, ősi fekete lyukak elképzeléséhez. Valójában az ilyen kis fekete lyukaknak nehézséget okozna az akkréciós korongok kialakítása, amelyek itt láthatóvá teszik őket. Forrás: NASA Goddard Space Flight Center

„Nincs mód a földtömegű fekete lyukak és a szélhámos bolygók közötti különbségtételre eseti alapon” – mondta DiRocco. A tudósok azonban arra számítanak, hogy Roman számos tárgyat talál ebben a tömegtartományban, amely tízszer nagyobb, mint a földi teleszkópok. „Roman nagyon erős lenne a kettő közötti statisztikai különbségtételben.”

DiRocco erőfeszítéseket tett annak meghatározására, hogy hány szélhámos bolygónak kell ebben a tömegtartományban lennie, és hogy a rómaiak hány ősfekete lyukat tudnak megkülönböztetni közöttük.

Az ősfekete lyukak megtalálása új információkat tárna fel a nagyon korai univerzumról, és erősen azt sugallná, hogy az infláció korai időszaka már bekövetkezett. Ez megmagyarázhatja a titokzatos sötét anyag egy kis százalékát is, amely a tudósok szerint az univerzum tömegének nagy részét teszi ki, de még nem tudták azonosítani.

„Ez egy izgalmas példa arra, hogy több tudós is megteheti azokat az adatokat, amelyekkel Roman már a bolygókutatása során rendelkezni fog” – mondta Sahu. „Az eredmények érdekesek, hogy a tudósok találnak-e bizonyítékot a földtömegű fekete lyukakra, vagy sem.

Hivatkozás: „Földtömegű ősfekete lyukak észlelése a Nancy Grace római űrteleszkóp segítségével”, William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo és Nolan Smith, 2024. január 8. Fizikai áttekintés d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

A Nancy Grace római űrtávcsövet a NASA Goddard Űrrepülési Központjában (Greenbelt, Maryland) üzemeltetik a NASA Jet Propulsion Laboratory, a dél-kaliforniai Caltech/IPAC, a baltimore-i Space Telescope Science Institute és egy tudományos csapat részvételével a világ körül. Kutatóintézetek. Az elsődleges ipari partnerek a BAE Systems, Inc. of Boulder, Colorado; L3Harris Technologies, Rochester, New York; és a Teledyne Scientific & Imaging, Thousand Oaks, Kalifornia.