Ciemna materia z innego wszechświata: nowa hipoteza „wszechświatów niemowlęcych”

Od dekad naukowcy głowią się nad zagadką ciemnej materii. Niewidzialna substancja stanowi około 85% masy wszechświata. Choć dominuje w kosmosie, wpływając na rotację galaktyk i strukturę wszechświata, nigdy nie została bezpośrednio zaobserwowana. Tradycyjne poszukiwania skupiały się na hipotetycznych cząstkach elementarnych, takich jak WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki). Jednak brak ich wykrycia skłonił badaczy do powrotu do teorii pierwotnych czarnych dziur, ale w zupełnie nowym, niemal fantastycznonaukowym wydaniu.

Najnowsze badania sugerują, że ciemna materia może składać się z czarnych dziur, które są w rzeczywistości „bramami” do innych, mniejszych wszechświatów.

Pierwotne czarne dziury jako kandydaci na ciemną materię

Większość znanych nam czarnych dziur powstaje w wyniku kolapsu grawitacyjnego masywnych gwiazd. Jednak teoria pierwotnych czarnych dziur (Primordial Black Holes – PBH) zakłada, że mogły one powstać ułamki sekund po Wielkim Wybuchu, na skutek ekstremalnych wahań gęstości w młodym, gwałtownie rozszerzającym się kosmosie.

Dlaczego PBH są tak atrakcyjnym wyjaśnieniem ciemnej materii? Przede wszystkim są ciemne, nie emitują światła i posiadają ogromną masę. Idealnie pasują więc do profilu poszukiwanego „brakującego elementu”. Problem polegał na tym, że standardowe modele inflacji kosmologicznej – opisujące fazę niezwykle szybkiego, wykładniczego rozszerzania się wczesnego Wszechświata, która miała miejsce ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu (ok. 10^-37 do 10^-35 sekundy) – nie zawsze pozwalały na powstanie ich w odpowiedniej liczbie. Tu z pomocą przychodzi koncepcja wieloświata (multiwersum).

Mechanizm „wszechświatów niemowlęcych”

Koncepcja przedstawiona przez fizyków, m.in. z University of California (UCLA) oraz Kavli Institute, opiera się na zjawisku zachodzącym podczas inflacji – fazie gwałtownego rozszerzania się wszechświata. Według tej teorii, w młodym kosmosie mogły formować się „pęcherze” czasoprzestrzeni, oddzielające się od naszego głównego wszechświata.

Zjawisko to można porównać do formowania się małych baniek (tzw. wszechświatów niemowlęcych lub potomnych), które odgałęziają się od „rodzica”. Losy takiej bańki zależą od jej wielkości:

• Małe bańki: jeśli bańka była mniejsza niż pewna masa krytyczna, zapadała się pod własną grawitacją, ze ze względu na ogromną energię uwięzioną w środku, zapadała się ona prosto w czarną dziurę.
• Duże bańki: jeśli bańka była wystarczająco duża, jej ekspansja mogła trwać nadal, tworząc oddzielną czasoprzestrzeń.

Kluczowym elementem tej teorii jest perspektywa obserwatora. Dla kogoś znajdującego się wewnątrz takiej „dużej” bańki, byłaby ona rozszerzającym się, pełnoprawnym wszechświatem. Jednak dla nas, patrzących z zewnątrz, taka bańka wyglądałaby jak czarna dziura.

Dlaczego to przełom?

Ta hipoteza rozwiązuje kilka problemów naraz. Po pierwsze, wyjaśnia pochodzenie czarnych dziur o masach, których nie da się wytłumaczyć ewolucją gwiazd. Po drugie, dostarcza mechanizmu, dzięki któremu czarne dziury mogły powstać w ilościach wystarczających, by stanowić całość ciemnej materii.

Co istotne, teoria ta jest sprawdzalna. Czarne dziury powstałe z „wszechświatów niemowlęcych” powinny mieć specyficzny rozkład mas. Naukowcy mogą ich szukać, wykorzystując zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Polega ono na obserwowaniu krótkotrwałych błysków gwiazd w sąsiednich galaktykach (np. w Galaktyce Andromedy), gdy niewidoczna czarna dziura przechodzi przed nimi, zakrzywiając ich światło niczym soczewka.

Obserwacje teleskopem Subaru

Badacze wykorzystują już do tego celu teleskop Subaru na Hawajach, wyposażony w Hyper Suprime-Cam. Wstępne wyniki są obiecujące. Astronomowie odnotowali zdarzenia, które mogą odpowiadać pierwotnym czarnym dziurom o masach zbliżonych do masy Księżyca. Jeśli kolejne obserwacje potwierdzą te dane, może się okazać, że fundamenty naszej galaktyki i całego kosmosu są zbudowane z obiektów, które w środku skrywają całe, obce wszechświaty.

Teoria łącząca ciemną materię z czarnymi dziurami pochodzącymi z multiwersum jest fascynującym mostem między kosmologią a fizyką cząstek elementarnych. Jeśli ciemna materia faktycznie okaże się zbiorem pierwotnych czarnych dziur, będzie to oznaczać, że nie musimy szukać nowych, egzotycznych cząstek w akceleratorach. To, co bierzemy za „ciemność”, może być w rzeczywistości bramą do nieskończonej liczby innych światów.

Źródło: https://www.wired.com/story/dark-matter-may-be-made-of-black-holes-from-another-universe/; https://theconversation.com/could-dark-matter-be-made-of-black-holes-from-a-different-universe-278469