Jak promieniowanie Hawkinga wpłynęło na tworzący się wszechświat?

W połowie lat 70. Stephen Hawking wysunął śmiałą koncepcję - czarne dziury mogą emitować promieniowanie podobnie jak podgrzane obiekty. Czarne dziury były tradycyjnie postrzegane jako obszary czasoprzestrzeni, które jedynie pochłaniają wszystko, co się do nich zbliży. Fenomen opisany przez słynnego fizyka, znany teraz jako promieniowanie Hawkinga, pozostaje czysto teoretyczny z powodu minimalnej mocy emisji promieniowania gwiezdnych i supermasywnych czarnych dziur. Tak przynajmniej wynika z obliczeń.

Nowe badanie opublikowane w "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics" wysuwa sugestię, że to hipotetyczne promieniowanie mogło znacząco wpłynąć na wczesną strukturę wszechświata. Badacze sugerują, że pierwotne czarne dziury, co do których przypuszcza się, że istniały wkrótce po Wielkim Wybuchu, mogły emitować intensywne promieniowanie Hawkinga, pozostawiając wykrywalne ślady w kosmosie, który obserwujemy dzisiaj.

"Istnieje intrygująca możliwość, że wczesny wszechświat przechodził etap, w którym gęstość energii była zdominowana przez pierwotne czarne dziury, które następnie wyparowały poprzez promieniowanie Hawkinga. To ogólna konsekwencja ultralekkich, pierwotnych czarnych dziur, bowiem nawet niewielka początkowa obfitość takich obiektów szybko zaczęłaby dominować we wszechświecie w miarę jego rozszerzania się" - piszą autorzy badania.

Przełomowa praca Stephena Hawkinga częściowo połączyła matematyczne ramy ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej - dwóch fundamentalnych teorii fizycznych, które ciągle czekają na unifikację. Pozwoliło to eksplorować fizykę czarnych dziur. Hawking odkrył, iż te obiekty nie są jedynie pułapkami wciągającymi wszystko łącznie ze światłem i informacją, ale mogą też emitować cząsteczki, wliczając w to fotony.

Emisje promieniowania mają ulegać zmniejszeniu wraz ze wzrostem masy czarnej dziury. Oznacza to, że czarne dziury powstałe w wyniku zapadania się gwiazd, a także supermasywne czarne dziury emitują tak słabe promieniowanie, że nie można go wykryć za pomocą współczesnych instrumentów. Innymi słowy nie widzimy go, ale prawdopodobnie tam jest - tak przynajmniej wynika z obliczeń fizyka-teoretyka.

Gdy jednak cofniemy się w przeszłość do początków wszechświata, wyglądało to inaczej. Na tym etapie tworzyły się dużo mniejsze czarne dziury - każda o masie mniejszej niż 100 ton - nazywane pierwotnymi czarnymi dziurami. Emitowały one cząsteczki na tyle silnie, by wpłynąć na struktury kosmiczne, takie jak galaktyki i gromady.

"Różne scenariusze kosmologiczne przewidują powstawanie czarnych dziur we wczesnym wszechświecie. Przykładowo pierwotne czarne dziury mogły utworzyć się w wyniku zapadnięcia grawitacyjnego nadmiernie gęstych regionów" - piszą autorzy.

Co ciekawe, promieniowanie Hawkinga z tych pierwotnych czarnych dziur mogło obejmować wszystkie typy cząstek, w tym hipotetyczne cząstki, które oddziałują słabo ze znanymi cząstkami opisanymi przez Model Standardowy. Badanie śladów tych wydarzeń z początków wszechświata może więc pomóc nam lepiej zrozumieć te hipotetyczne cząstki, których wytworzenie w akceleratorach cząstek może nie być możliwe.

Wykorzystując równania ogólnej teorii względności Einsteina, zespół badaczy przenalizował różne cząstki o różnych masach i spinach, aby ustalić ich wpływ na rozmieszczenie materii we wszechświecie. Przykładowo, gdyby spora ilość lekkich, szybko poruszających się cząsteczek była obecna, to mogły one utrudniać powstawanie małych galaktyk. Takie cząstki miałyby bowiem trudność ze zbieraniem się w ilościach wystarczających do tworzenia gęstych struktur. Zespół badał również inne możliwe efekty, jakie te cząstki mogą mieć.

"Jeśli któreś z tych cząstek są stabilne i zachowały się do dzisiejszego dnia, nazywamy je reliktami Hawkinga. Pozbawione masy relikty Hawkinga mogły przyczynić się do budżetu promieniowania kosmicznego i mogłyby zostać wykryte w pomiarach mikrofalowego promieniowania tła" - piszą naukowcy. Sprawdzili oni, jak owe relikty mogły wpłynąć na obecną strukturę wszechświata.

Choć badacze nie znaleźli bezpośredniego dowodu występowania tych reliktów, ich analizy pozwoliły im ograniczyć właściwości cząstek i pierwotnych czarnych dziur, które mogły je emitować. "Jeśli istniała znacząca liczba parujących czarnych dziur w okresie, gdy powstały pierwsze jądra atomowe, przewidywana liczba jąder atomowych we wszechświecie byłaby niepoprawna. Wymagamy zatem [założenia], że pierwotne czarne dziury odparowały przed tym okresem, co daje nam górną granicę ich masy wynoszącą pięćset ton" - piszą autorzy.

Zespół odniósł się też do hipotezy, że relikty Hawkinga mogą tworzyć ciemną materię, która stanowi 85% całej materii wszechświata. Ich zdaniem nie jest to dobry kandydat wyjaśniający budowę tej najbardziej zagadkowej formy materii, choć może ona zawierać relikty Hawkinga w ilości nieprzekraczającej 2%.

Choć ostatnie badania nie potwierdziły istnienia reliktów Hawkinga, badacze pozostają optymistyczni. Wierzą oni, że instrumenty naukowe przyszłości zapewnią większą precyzję, która pozwoli wykryć te cząstki, potwierdzając empirycznie to, co wynika z obliczeń Stephena Hawkinga. Ma to również potwierdzić istnienie pierwotnych czarnych dziur oraz umożliwić eksperymentalne badania nad ich właściwościami.

"Odkrycie reliktów Hawkinga otworzyłoby okno na stan termiczny wszechświata. Byłoby to nie tylko ważne dla kosmologii wczesnego wszechświata, ale też otworzyło nowy front dla fizyki cząstek poza Modelem Standardowym oraz dało pierwsze dowody obserwacyjne promieniowania Hawkinga, parowania czarnych dziur oraz pierwotnych czarnych dziur" - piszą naukowcy.

Promieniowanie Hawkinga nadal pozostaje teoretycznym konstruktem, a jego rola w formowaniu się naszego wszechświata nadal stanowi obiecujący przedmiot badań. Poznanie pierwotnych czarnych dziur i ich pozostałości mogłoby pogłębić nasz wgląd w kosmologię i fizykę cząstek, a także wypełnić lukę w wiedzy na temat samych początków wszechświata.

Źródło: Christopher J. Shallue, Julian B. Muñoz i Gordan Z. Krnjaic, Warm Hawking relics from primordial black hole domination [w:] "Journal of Cosmology and Astroparticle Physics" 02/2025.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 88 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!