Kuantum Teorisi Şaşırtıcı Kara Delik Eksikliğini Ortaya Çıkardı

Kuantum alan teorisi, çok sayıda ilkel kara deliği öngören modellerdeki potansiyel kusurları ortaya çıkarıyor, daha azının var olduğunu öne sürüyor ve bu da karanlık madde teorilerini ve evrenin yapısını etkileyebilir.

Araştırmacılar, genellikle çok küçüklerin incelenmesinde uygulanan iyi anlaşılmış ve son derece doğrulanmış kuantum alan teorisini yeni bir hedefe, erken evrene uyguladılar. Araştırmaları, çoğu modelin önerdiğinden çok daha az sayıda minyatür kara delik olması gerektiği sonucuna varılmasına yol açtı; ancak bunu doğrulayacak gözlemler yakında mümkün olacak. Söz konusu kara deliğin spesifik türü, karanlık maddeye rakip olabilir.

Geçtiğimiz günlerde yayımlanan çalışma Fiziksel İnceleme MektuplarıTokyo Üniversitesi’ndeki Erken Evren Araştırma Merkezi (RESCEU) ve Kavli Evrenin Fiziği ve Matematiği Enstitüsü’ndeki (Kavli IPMU, WPI) araştırmacılar tarafından yürütüldü.

Evrenin Kökenini Anlamak

Evreni keşfetmek bunaltıcı olabilir, o yüzden hepimizin aynı fikirde olduğundan emin olalım. Ayrıntıları belirsiz olsa da fizikçiler arasındaki genel fikir birliği, evrenin yaklaşık 13,8 milyar yaşında olduğu, bir patlamayla başladığı, enflasyon adı verilen bir dönemde hızla genişlediği ve bir noktada homojen olmaktan çıkıp ayrıntı ve yapı içermeye doğru gittiği yönünde.

Evrenin büyük bir kısmı boş, ancak buna rağmen görebildiklerimizle açıklanabilecek olandan çok daha ağır görünüyor; bu tutarsızlığa karanlık madde diyoruz ve kimse bunun ne olabileceğini bilmiyor ama kanıtlar bunun olduğunu gösteriyor. kara delikler olabilir, özellikle de eski olanları.

Mütevazi başlangıçlar. Çalışma, küçük ölçeklerde üretilen büyük genlik dalgalanmalarının, kozmik mikrodalga arka planında gözlemlenen büyük ölçekli dalgalanmaları nasıl artırabildiğini ortaya koyuyor. Katkıda bulunanlar: © 2024 ESA/Planck İşbirliği, Jason Kristiano tarafından düzenlenmiştir CC-BY-ND

İlkel Kara Delikler ve Karanlık Madde

Yüksek lisans öğrencisi Jason Kristiano, “Bunlara ilkel kara delikler (PBH) diyoruz ve birçok araştırmacı bunların karanlık madde için güçlü bir aday olduğunu düşünüyor, ancak bu teoriyi tatmin etmek için onlardan çok sayıda olması gerekir” dedi.

“Bunlar başka nedenlerden dolayı da ilgi çekicidir; yerçekimsel dalga astronomisindeki son yeniliklerden bu yana, ikili dalgaların keşifleri olmuştur. Kara delik PBH’lerin çok sayıda mevcut olması durumunda bu durum açıklanabilir. Ancak beklenen bolluğa ilişkin bu güçlü nedenlere rağmen doğrudan hiçbirini göremedik ve şimdi bunun neden böyle olduğunu açıklayacak bir modele sahibiz.”

Mevcut PBH Modellerindeki Zorluklar

Kristiano ve danışmanı, şu anda Kavli IPMU ve RESCEU’nun yöneticisi olan Profesör Jun’ichi Yokoyama, PBH oluşumuna yönelik çeşitli modelleri kapsamlı bir şekilde araştırdılar, ancak önde gelen yarışmacıların kozmik mikrodalga arka planının (CMB) gerçek gözlemleriyle uyumlu olmadığını buldular. bu bir nevi parmak izinden kalan bir şey gibi Büyük patlama patlama evrenin başlangıcını işaret ediyor. Ve eğer bir şey sağlam gözlemlerle çelişiyorsa, bu ya doğru olamaz ya da en iyi ihtimalle resmin yalnızca bir kısmını resmedebilir.

Bu durumda ekip, PBH oluşumunun önde gelen modelini kozmik enflasyondan düzeltmek için yeni bir yaklaşım kullandı; böylece mevcut gözlemlerle daha iyi uyum sağladı ve dünya çapındaki karasal kütleçekim dalgası gözlemevleri tarafından yapılacak sonraki gözlemlerle daha da doğrulanabilir.

Kozmik Enflasyona İlişkin Teorik Bilgiler

“Başlangıçta evren inanılmaz derecede küçüktü; tek bir parçacık boyutundan çok daha küçüktü. atom. Kozmik enflasyon bunu hızla 25 kat artırdı. O zamanlar bu küçücük uzayda ilerleyen dalgaların genlikleri nispeten büyük, ancak dalga boyları çok kısa olabilirdi. Bulduğumuz şey, bu küçük ama güçlü dalgaların, mevcut CMB’de gördüğümüz çok daha uzun dalgaların başka türlü açıklanamayacak şekilde büyümesine dönüşebileceğidir” dedi Yokoyama.

“Bunun, fotonlar veya elektronlar gibi gündelik olayları tanımlamak için sahip olduğumuz en sağlam teori olan kuantum alan teorisi kullanılarak açıklanabilecek bu erken kısa dalgalar arasındaki ara sıra tutarlılık örneklerinden kaynaklandığına inanıyoruz. Bireysel kısa dalgalar nispeten güçsüz olsa da, tutarlı gruplar kendilerinden çok daha büyük dalgaları yeniden şekillendirme gücüne sahip olacaktır. Bu, aşırı ölçekteki bir şeye ilişkin bir teorinin, ölçeğin diğer ucundaki bir şeyi açıkladığı nadir bir örnektir.”

Karanlık Madde Olarak PBH’nin Etkileri

Kristiano ve Yokoyama’nın öne sürdüğü gibi, evrendeki ilk küçük ölçekli dalgalanmalar SPK’da gördüğümüz daha büyük ölçekli dalgalanmalardan bazılarını etkiliyorsa, bu, evrendeki kaba yapılara ilişkin standart açıklamayı değiştirebilir. Ancak aynı zamanda, erken evrendeki karşılık gelen dalga boylarının kapsamını etkili bir şekilde sınırlamak için CMB’deki dalga boyu ölçümlerini kullanabileceğimiz göz önüne alındığında, bu, bu daha kısa, daha güçlü dalga boylarına dayanabilecek diğer fenomenleri de zorunlu olarak sınırlayacaktır. PBH’lerin tekrar devreye girdiği yer burasıdır.

Kristiano, “İlkel kara delikleri yaratan şeyin erken evrendeki kısa ama güçlü dalga boylarının çöküşü olduğuna yaygın olarak inanılıyor” dedi. “Çalışmamız, eğer karanlık madde veya kütleçekim dalgası olayları için gerçekten güçlü bir aday iseler, ihtiyaç duyulandan çok daha az PBH olması gerektiğini öne sürüyor.”

Devam Eden Gözlemler ve Gelecek İçgörüleri

Bu yazının yazıldığı sırada dünyanın yerçekimsel dalga gözlemevleri, LİGO ABD’deki Başak, İtalya’daki Başak ve Japonya’daki KAGRA, ilk küçük kara delikleri, muhtemelen PBH’leri gözlemlemeyi amaçlayan bir gözlem misyonunun ortasındalar. Her durumda, sonuçlar ekibe teorilerini daha da geliştirmelerine yardımcı olacak sağlam kanıtlar sunmalıdır.

Referanslar:

Jason Kristiano ve Jun’ichi Yokoyama tarafından yazılan “Tek Alan Enflasyonundan İlkel Kara Delik Oluşumunun Sınırlandırılması”, 29 Mayıs 2024, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.221003

Jason Kristiano ve Jun’ichi Yokoyama, 29 Mayıs 2024, “İlkel kara delik oluşumuyla tek alan enflasyonunda çift spektrum ve tek döngü düzeltmeleri üzerine not” Fiziksel İnceleme D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.103541