Büyük Patlama’dan saniyenin çok küçük bir bölümünde, sıcak, renk yüklü kuarklar ve gluonlardan oluşan bir denizin ortasında oluşan ilkel bir kara deliğin tasviri. Kredi bilgileri: Kaća Bradonjić
Saniyenin ilk kentilyonda biri kadar bir sürede, evrende muazzam miktarda nükleer yüke sahip mikroskobik kara delikler filizlenmiş olabilir. MİT fizikçiler.
MIT araştırmacıları, muhtemelen bir karanlık madde türü olan ilkel kara deliklerin, patlamadan sonraki ilk anlarda oluşmuş olabileceğini öne sürüyor. Büyük patlama ve renk yükü olarak bilinen nükleer bir özelliği yüksek düzeyde taşıyordu. Bu aşırı yüklü kara delikler, kısa süreli varoluşlarına rağmen, erken evrenin kozmolojisini etkilemiş olabilir ve bugün gözlemlenen bazı astronomik olayları açıklayabilir.
Karanlık Madde ve İlkel Kara Delikler
Elinizdeki telefondan uzak yıldızlara ve galaksilere kadar görebildiğimiz her kilogram maddeye karşılık, çevremize nüfuz eden 5 kilogram görünmez madde vardır. Bu “karanlık madde”, her türlü doğrudan gözlemden kaçan, ancak görünür nesneler üzerindeki görünmez çekimiyle varlığını hissettiren gizemli bir varlıktır.
Elli yıl önce fizikçi Stephen Hawking, karanlık maddenin ne olabileceğine dair bir fikir öne sürdü: Büyük Patlama’dan hemen sonra oluşmuş olabilecek bir kara delik popülasyonu. Çok “ilkel” kara delikler Bugün tespit ettiğimiz goliatlar değil, Büyük Patlama’dan sonra saniyenin ilk kentilyonda biri kadar bir sürede oluşan ve daha sonra çökerek evrene dağılan, çevredeki uzay-zamanı çeşitli şekillerde çeken mikroskobik aşırı yoğun madde bölgeleri olurdu. Bu, bugün bildiğimiz karanlık maddeyi açıklayabilir.
Süper Yüklü Kara Deliklerin Ortaya Çıkarılması
Şimdi, MIT fizikçileri bu ilkel sürecin aynı zamanda bazı beklenmedik yoldaşlar da üretmiş olabileceğini keşfettiler: “renk yükü” olarak bilinen eşi benzeri görülmemiş miktarda nükleer fizik özelliğine sahip daha küçük kara delikler.
Bu en küçük, “süper yüklü” kara delikler, maddenin tamamıyla yeni bir hali olabilirdi ve muhtemelen ortaya çıktıktan bir saniye sonra buharlaşmıştı. Yine de önemli bir kozmolojik geçişi etkilemiş olabilirler: ilk atom çekirdeğinin oluşturulduğu zaman. Fizikçiler, renk yüklü kara deliklerin, kaynaşan çekirdeklerin dengesini, gökbilimcilerin bir gün gelecekteki ölçümlerle tespit edebilecekleri şekilde etkilemiş olabileceğini öne sürüyorlar. Böyle bir gözlem, ikna edici bir şekilde, ilkel kara deliklerin bugünkü tüm karanlık maddenin kökü olduğuna işaret edecektir.
Germeshausen Bilim Tarihi Profesörü ve fizik profesörü David Kaiser, “Bu kısa ömürlü, egzotik yaratıklar bugün ortalıkta olmasalar da, kozmik tarihi bugün ince sinyallerle ortaya çıkabilecek şekillerde etkilemiş olabilirler” diyor. MİT. “Tüm karanlık maddenin kara deliklerden kaynaklanabileceği fikri, bize arayacak yeni şeyler veriyor.”
Kaiser ve ortak yazarı MIT yüksek lisans öğrencisi Elba Alonso-Monsalve, çalışmalarını 6 Haziran’da dergide yayınladılar. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Yıldızlardan Önce Bir Zaman
Bugün bildiğimiz ve tespit ettiğimiz kara delikler, büyük bir yıldızın merkezinin kendi içine çökerek uzay-zamanı bükebilecek kadar yoğun bir bölge oluşturması ve her şeyin – ışığın bile – içinde sıkışıp kalması sonucu meydana gelen yıldız çöküşünün ürünüdür. . Bu tür “astrofiziksel” kara delikler, Güneş’in birkaç katı büyüklüğünden milyarlarca kat daha büyük kütleye kadar herhangi bir yerde olabilir.
Buna karşın “ilkel” kara delikler çok daha küçük olabilir ve yıldızlardan önceki bir zamanda oluştukları düşünülür. Evren, bırakın yıldızları, temel elementleri bile oluşturmadan önce, bilim adamları aşırı yoğun, ilksel madde keselerinin birikip çökerek mikroskobik kara delikler oluşturabileceğine ve bu kara deliklerin bir asteroitin kütlesini bir göktaşının kütlesine sığdırabilecek kadar yoğun olabileceğine inanıyorlar. tek bölge kadar küçük bir bölge atom. Evrenin dört bir yanına dağılmış bu küçük, görünmez nesnelerin çekim kuvveti, bugün göremediğimiz tüm karanlık maddeyi açıklayabilir.
Eğer durum böyle olsaydı bu ilksel kara delikler neyden oluşmuş olurdu? Kaiser ve Alonso-Monsalve’nin yeni çalışmalarında ele aldıkları soru bu.
“İnsanlar dağılımının ne olduğunu araştırdılar. Kara delik Kaiser şöyle açıklıyor: “Kütleler bu erken evrenin oluşumu sırasında mevcut olacaktı, ancak bunu hiçbir zaman kara deliklerin oluştukları sırada içine ne tür maddelerin düştüğüne bağlamadılar.”
Süper Yüklü Gergedanlar
MIT fizikçileri ilk olarak, erken evrende ilk oluşmaya başlayan kara delik kütlelerinin olası dağılımı için mevcut teorileri incelediler.
Alonso-Monsalve, “Bizim farkımız, ilkel bir kara deliğin ne zaman oluştuğu ile hangi kütleden oluştuğu arasında doğrudan bir korelasyon olduğuydu” diyor. “Ve bu zaman aralığı saçma bir şekilde erken.”
O ve Kaiser, ilkel kara deliklerin Büyük Patlama’yı takip eden saniyenin ilk kentilyonda biri kadar bir sürede oluşmuş olması gerektiğini hesapladılar. Zamanın bu parlaması, bir asteroit kadar büyük ve bir atom kadar küçük “tipik” mikroskobik kara delikler üretmiş olabilir. Aynı zamanda, bir gergedanın kütlesine ve tek bir protondan çok daha küçük bir boyuta sahip, katlanarak daha küçük kara deliklerin küçük bir kısmını da ortaya çıkarabilirdi.
Bu ilkel kara delikler neyden yapılmış olabilir? Bunun için erken evrenin bileşimini araştıran çalışmalara ve özellikle de kuarklar ve gluonların nasıl etkileşime girdiğini inceleyen kuantum renk dinamiği (QCD) teorisine baktılar.
Kuantum Dinamiği ve Kara Delik Oluşumu
Kuarklar ve gluonlar, periyodik tablonun temel elementlerini oluşturmak için bir araya gelen temel parçacıklar olan proton ve nötronların temel yapı taşlarıdır. Büyük Patlama’nın hemen ardından fizikçiler QCD’ye dayanarak evrenin son derece sıcak olduğunu tahmin ediyorlar. plazma Daha sonra hızla soğuyan ve proton ve nötron üretmek üzere birleşen kuarklar ve gluonlar.
Araştırmacılar, saniyenin ilk kentilyonda biri kadar bir süre içinde evrenin hâlâ, henüz birleşmemiş serbest kuarklar ve gluonlardan oluşan bir çorba olacağını buldular. Bu zamanda oluşan herhangi bir kara delik, yalnızca birleşik kuarkların ve gluonların taşıyabildiği bir yük durumu olan “renk yükü” olarak bilinen egzotik bir özelliğin yanı sıra bağlanmamış parçacıkları da yutmuş olmalı.
Kara Delik Dinamiğinde Renk Yükünün Rolü
“Bu kara deliklerin kuark-gluon plazmasında oluştuğunu anladığımızda, çözmemiz gereken en önemli şey, ilkel bir kara deliğe dönüşecek olan madde bloğunda ne kadar renk yükünün bulunduğuydu?” Alonso-Monsalve diyor.
QCD teorisini kullanarak, sıcak, erken plazmada var olması gereken renk yükünün dağılımını çözdüler. Daha sonra bunu, saniyenin ilk kentilyonda biri kadar sürede çökerek kara delik oluşturacak bir bölgenin boyutuyla karşılaştırdılar. O zamanlar tipik kara deliklerin çoğunda çok fazla renk yükü olmadığı ortaya çıktı; çünkü bunlar, bir yük karışımına sahip çok sayıda bölgeyi soğurarak oluşmuşlardı ve bu da sonuçta “nötr” anlamına geliyordu. ” şarj.
Sonuç ve Geleceğe Yönelik Çıkarımlar
Ancak en küçük kara delikler renk yüküyle dolu olurdu. Aslında, fiziğin temel yasalarına göre, bir kara delik için izin verilen her türlü yükün maksimum miktarını içeriyorlardı. Bu tür “ekstrem” kara deliklerin onlarca yıldır varsayıldığı düşünülürken, şimdiye kadar hiç kimse evrenimizde bu tür tuhaflıkların gerçekten oluşabileceği gerçekçi bir süreç keşfetmemişti.
İlkel kara delikler konusunda uzman olan ve konu üzerinde ilk kez Stephen Hawking’le çalışan Londra Queen Mary Üniversitesi’nden Profesör Bernard Carr, yeni çalışmayı “heyecan verici” olarak tanımlıyor. Çalışmada yer almayan Carr, çalışmanın “erken evrenin çok küçük bir kısmının, (en azından bir süre için) çok büyük miktarda renk yüküne sahip nesnelere girebildiği durumların olduğunu gösterdiğini” söylüyor. QCD ile ilgili önceki çalışmalarda tanımlananlar.”
Süper yüklü kara delikler hızlı bir şekilde buharlaşırdı, ancak muhtemelen ilk atom çekirdeği oluşmaya başladıktan sonra. Bilim insanları, bu sürecin Büyük Patlama’dan yaklaşık bir saniye sonra başladığını tahmin ediyor; bu durum, ekstrem kara deliklere, ilk çekirdekler oluşmaya başladığında mevcut olan denge koşullarını bozmak için bolca zaman vermiş olacak. Bu tür rahatsızlıklar, bir gün gözlemlenebilecek şekilde, en erken çekirdeklerin nasıl oluştuğunu potansiyel olarak etkileyebilir.
Alonso-Monsalve, “Bu nesneler bazı heyecan verici gözlemsel izler bırakmış olabilir” diye düşünüyor. “Bunun ve bunun arasındaki dengeyi değiştirebilirlerdi ve bu, insanın merak etmeye başlayabileceği türden bir şey.”
Referans: Elba Alonso-Monsalve ve David I. Kaiser tarafından yazılan “QCD Renk Yüklü İlkel Kara Delikler”, 6 Haziran 2024, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.231402
Bu araştırma kısmen ABD Enerji Bakanlığı tarafından desteklenmiştir. Alonso-Monsalve ayrıca MIT Fizik Bölümü’nün bursuyla da destekleniyor.