Coś uderzyło w Ziemię i nie miało prawa istnieć. „To pradawny potwór”

To zdarzenie wstrząsnęło światem astrofizyki, choć dla wielu z nas pozostało niezauważone. W 2023 r. w naszą planetę uderzyło neutrino o tak gigantycznej energii, iż wedle naszej obecnej wiedzy nie miało prawa istnieć. Żadne znane źródło we Wszechświecie nie jest w stanie wygenerować takiej mocy.

Zespół fizyków z USA twierdzi jednak, iż znalazł winowajcę. Ślad prowadzi do hipotetycznych, pierwotnych potworów, pradawnych czarnych dziur zrodzonych tuż po Wielkim Wybuchu.

Instrumenty badawcze zarejestrowały uderzenie cząstki subatomowej, neutrina, niosącej energię 100 tys. razy większą niż cokolwiek, co udało nam się kiedykolwiek wytworzyć w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), najpotężniejszym akceleratorze na Ziemi. Problem polegał na tym, iż astrofizycy nie potrafili wskazać palcem na mapie nieba żadnego obiektu, który mógłby zadziałać jak tak potężna proca.

Zupełnie nowe światło na tę zagadkę rzucają badania opublikowane właśnie na łamach prestiżowego Physical Review Letters. Naukowcy z University of Massachusetts Amherst postawili śmiałą hipotezę: to nie była zwykła kosmiczna katastrofa, ale eksplozja specyficznego rodzaju czarnej dziury. jeżeli mają rację, właśnie otrzymaliśmy klucz do zrozumienia natury ciemnej materii.

Więcej na Spider’s Web:

Ujawnić fundamentalną naturę Wszechświata

Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, musimy cofnąć się do podstaw. Czarne dziury, o których uczymy się w szkole, to gwiezdne cmentarzyska. Powstają, gdy masywna gwiazda wypala swoje paliwo i zapada się pod własnym ciężarem w spektakularnym wybuchu supernowej. Powstaje obiekt o tak potężnej grawitacji, iż choćby światło nie jest w stanie z niego uciec. Są one ciężkie, stabilne i przewidywalne.

Jednak już w 1970 r. Stephen Hawking zwrócił uwagę na możliwość istnienia innego rodzaju tych obiektów. To tak zwane pierwotne czarne dziury (PBH – Primordial Black Holes). Nie powstały one ze śmierci gwiazd, ale uformowały się z niewyobrażalnie gęstej materii w ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu. Choć wciąż pozostają w sferze teorii, ich adekwatności fizyczne mogą drastycznie różnić się od ich gwiezdnych kuzynów. Mogą być znacznie lżejsze, a co za tym idzie, paradoksalnie znacznie bardziej aktywne.

Pierwotne czarne dziury. Wizualizacja: NASA

Hawking udowodnił, iż czarne dziury nie są do końca czarne. Emitują cząstki w procesie zwanym promieniowaniem Hawkinga. Im mniejsza i lżejsza jest czarna dziura, tym jest gorętsza i tym intensywniej paruje. To właśnie ten mechanizm leży u podstaw nowej teorii amerykańskich fizyków.

Kosmiczna eksplozja i ciemny elektron

Andrea Thamm, współautorka badań i adiunkt fizyki na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst, tłumaczy ten proces obrazowo: Im lżejsza jest czarna dziura, tym gorętsza powinna być i tym więcej cząstek będzie emitować.

Gdy pierwotna czarna dziura paruje, traci masę, staje się gorętsza i emituje jeszcze więcej promieniowania w niekontrolowanym procesie, który kończy się potężną eksplozją. To właśnie ten moment śmierci czarnej dziury mogą rejestrować nasze teleskopy.

Taka eksplozja byłaby dla fizyków świętym graalem. Uwolniłaby bowiem katalog wszystkich cząstek subatomowych istniejących we Wszechświecie, nie tylko tych, które znamy (jak elektrony, kwarki czy bozony Higgsa), ale także tych, których istnienia się jedynie domyślamy, oraz takich, o których nie mamy jeszcze pojęcia.

Tutaj jednak pojawia się problem, który spędzał sen z powiek badaczom. W 2023 r. eksperyment KM3NeT przechwycił wspomniane niemożliwe neutrino. Pasowało ono idealnie do modelu wybuchającej pierwotnej czarnej dziury. Sęk w tym, iż bliźniaczy eksperyment IceCube, zaprojektowany do wyłapywania podobnych sygnałów, milczał. Nie zarejestrował niczego, co miałoby choćby setną część tej mocy. Gdyby Wszechświat był pełen wybuchających standardowych pierwotnych czarnych dziur, powinniśmy być nieustannie bombardowani deszczem wysokoenergetycznych cząstek. Skąd ta cisza?

Brakujące ogniwo: ciemny ładunek

Zespół z Amherst proponuje rozwiązanie, które brzmi jak gimnastyka dla umysłu, ale matematycznie spina te sprzeczności w całość. Odpowiedzią są egzotyczne „kwazi-ekstremalne pierwotne czarne dziury” posiadające coś, co badacze nazwali „ciemnym ładunkiem”.

Joaquim Iguaz Juan, współautor publikacji, wyjaśnia, iż ten ciemny ładunek działa podobnie do znanej nam siły elektrycznej, ale obejmuje hipotetyczną, bardzo ciężką wersję elektronu – ciemny elektron. Wprowadzenie tego elementu do równań zmienia wszystko. Taka czarna dziura zachowuje się inaczej niż proste modele teoretyczne. Jej specyficzna natura pozwala wyjaśnić, dlaczego zarejestrowaliśmy pojedynczy, potężny strzał energii, a nie ciągły szum tła, którego nie widział IceCube.

Michael Baker, kolejny z autorów badania, podkreśla, iż choć ich model jest bardziej skomplikowany, to właśnie ta złożoność może najlepiej oddawać rzeczywistość. Proste modele po prostu nie radzą sobie z wyjaśnieniem anomalii z 2023 r.

Rozwiązanie zagadki ciemnej materii?

Implikacje tego odkrycia wykraczają daleko poza jedno, choćby najbardziej energetyczne neutrino. jeżeli hipoteza o czarnych dziurach z ciemnym ładunkiem się potwierdzi, możemy być o krok od rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej kosmologii: czym jest ciemna materia.

Obserwacje rotacji galaktyk i mikrofalowego promieniowania tła mówią nam jasno, iż we Wszechświecie jest o wiele więcej masy, niż widzimy. Coś trzyma galaktyki w ryzach, nie pozwalając im się rozpaść. Fizycy od dekad szukają tej niewidzialnej substancji.

Zespół z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst stawia sprawę jasno: jeżeli ich model jest prawdziwy, to populacja tych specyficznych, pierwotnych czarnych dziur może być znacznie liczniejsza, niż sądzono. Mogą one stanowić brakującą masę Wszechświata. To, co wzięliśmy za niemożliwą anomalię, może być pierwszą bezpośrednią wiadomością z „ciemnej strony” kosmosu, na którą czekaliśmy od dziesięcioleci. Na razie tylko hipotetycznie.