Черни дупки могат да разплетат мистерията около тъмната материя

Учени смятат, че следващо поколение гравитационни детектори ще успеят да наблюдават новооткритото екзотично състояние

Вече половин век учените се борят с разгадаването на един от ключовите проблеми във Вселената, а именно защо в нея няма достатъчно видима материя.  

Всичко, което може да бъде наблюдавано - планетите, звездите, галактиките, космическият прах и т.н., не може да даде обяснение как Вселената действа и защо реално трябва да има пет пъти повече от това, което съществува в момента, за да имат смисъл наблюденията на астрономи и астрофизици. Изследователите наричат този феномен тъмна материя, тъй като тя е невидима и не взаимодейства по никакъв начин със светлината - нито я поглъща, нито я отразява. Тъмната материя съставлява около 27% от Космоса, видимата - едва 0,5%, а за всичко останало се смята, че е т.нар. тъмна енергия.

През 60-те и 70-те години американската астрономка Вера Рубин започва съвместна работа с колегата си Кент Форд, като двамата наблюдават спираловидните галактики и откриват нещо невероятно - звездите в перифериите се движат също толкова бързо, колкото тези в центъра. Това противоречи на теорията на Нютон за гравитацията и подсказва, че има нещо, което осигурява допълнителна гравитация. Така двамата доказват съществуването на тъмната материя, което е предвидено през 30-те години от родения в България швейцарски астрофизик Фриц Цвики. 

Откритието на Рубин и Форд дава тласък на по-нататъшното търсене на неуловимата субстанция. С години учените се опитват да наблюдават директно тъмната материя и дори строят големи машини за откриването ѝ - халоскопи (вид детектори на тъмна материя - б.а.) и правят редица експерименти, но без успех. Сред многото предположения за това какво всъщност е тъмната материя е и теорията на световноизвестния британски физик Стивън Хокинг. Според него тя може да се крие в черни дупки, образувани по време на Големия взрив - една от основните теории в труда на покойния учен. 

Наскоро ново проучване на екип от Масачузетския технологичен институт (MIT) върна

теорията на Хокинг

обратно в светлината на прожекторите,

като разкри от какво са направени тези т.нар. първични черни дупки, а също и откри изцяло нов тип екзотична черна дупка. “Това беше страхотна изненада”, заяви проф. Дейвид Кайзер - един от авторите на изследването. “Използвахме изчисленията на Хокинг за черните дупки, особено неговия важен резултат за радиацията, която те излъчват - обясни Кайзер. - Тези екзотични черни дупки възникват от опитите за справяне с проблема с тъмната материя - те са страничен продукт от обяснението за произхода на тъмната материя.”

През годините учените са правили редица предположения какво всъщност е тъмната материя, като теорията на Хокинг е сравнително нова. “Хората не я приемаха на сериозно допреди може би 10 години”, посочва съавторката на изследването Елба Алонсо. По нейните думи това е така, защото “черните дупки някога изглеждаха неуловими - в началото на XX в. хората смятаха, че те са просто математически забавен факт, нищо реално”.

В днешно време знаем, че почти всяка галактика има черна дупка в центъра си. Освен това през 2015 г. физици потвърдиха съществуването на гравитационни вълни, които са продукт на сливане на най-масивните обекти във Вселената като черни дупки и неутронни звезди. Това доказа предположенията на гения Алберт Айнщайн, описани в Теорията на относителността през 1905 г., и подсказа, че черните дупки всъщност са навсякъде. “Вселената гъмжи от черни дупки - допълни Алонсо - и сега те се разглеждат като кандидати за тъмна материя много по-сериозно.”

Проучването, публикувано през юни в Physical Review Letters, разкрива, че първичните черни дупки

трябва да са се появили в първата квинтилионна от секундата от Големия взрив

“Това е много по-рано от момента, в който протоните и неутроните - частиците, от които е направено всичко, са се образували”, обясни още Алонсо. В света ни днес не можем да намерим свободни протони и неутрони, тъй като те са елементарни частици. Известно е, че всъщност това не е точно така, тъй като дори те са съставени от още по-малки частици - кварки, обединени от други частици - глуони. Те не могат да бъдат намерени в свободно състояние във Вселената, тъй като е твърде студено, но в началото на Големия взрив, когато е било горещо, били свободни, а първичните черни дупки са се образували чрез абсорбирането им.

Подобна формация би ги направила фундаментално различни от черните дупки, които учените обикновено наблюдават във Вселената. Първичната черна дупка би била

много по-малка - с масата на астероид в обема на един атом

Но ако достатъчно на брой от тези първични черни дупки не са се изпарили в ранния Голям взрив и са оцелели до днес, те биха могли да представляват цялата или по-голямата част от тъмната материя.

По време на създаването на първичните черни дупки трябва да се е образувал и друг вид невиждана досега черна дупка като страничен продукт, сочи още проучването. Те биха били още по-малки - с масата на носорог, събрана в обем от един протон. Тези миниатюрни черни дупки биха могли да имат рядко и екзотично свойство, наречено “цветен заряд”. То е изключително за кварките и глуоните и никога не се среща в обикновените обекти, обясни проф. Кайзер.

Тази екзотична материя обаче едва ли съществува днес - по-скоро се е изпарила. Въпреки това, ако тези малки черни дупки все още са били на възраст само около десет милионни от секундата след Големия взрив, когато са се образували протоните и неутроните, би могло те да са оставили видими следи, като са променили баланса между двата вида частици. Балансът е изключително деликатен и “зависи от това какви други неща са съществували във Вселената по това време”, коментира още Алонсо пред Си Ен Ен, като допълни, че “ако тези черни дупки с цветен заряд все още са били наоколо, те биха могли да изместят баланса между протони и неутрони точно толкова, че да можем да го измерим през следващите няколко години”.

Измерването не може да стане със земни телескопи или чувствителни сателити, уточни проф. Кайзер, като добави, че бурният процес на формирането им е изпратил вълни във време-пространството и “следващото поколение гравитационни детектори може да зърне черните дупки с малка маса - екзотично състояние на материята, което е неочакван страничен продукт на по-обикновените черни дупки, което би могло да обясни тъмната материя”. Съществува и възможността първичните черни дупки да са само част от тъмната материя, добави Алонсо. “Не е нужно всичко да е едно и също - има пет пъти повече тъмна материя от обикновената, а обикновената материя се формира от много различни частици.”