Какво се е случило при Големия взрив – нова теория и ново състояние на материята?

Ваня Милева Последна промяна на 12 юни 2024 в 07:00 4147 0

Еволюционна теория на Вселената, от Големия взрив до образуването на планетите и Слънчева система

Кредит DEA / D'ARCO EDITORI/De Agostini чрез Getty Images

Еволюционна теория на Вселената, от Големия взрив до образуването на планетите и Слънчева система

В първата нищожна част от секундата след Големия взрив Вселената може да се е зародила с микроскопични черни дупки с огромни количества заряд - това е новата теория, предложена от физици от Масачузетския технологичен институт.

За всеки килограм материя, която можем да видим – от компютъра ни до далечните звезди и галактики – има 5 кг невидима материя, която запълва заобикалящата ни среда. Тази "тъмна материя" е загадъчно образувание, което избягва всички форми на директно наблюдение, но показва присъствието си чрез привличането на видимите обекти.

Преди петдесет години физикът Стивън Хокинг предлага една идея за това какво може да бъде тъмната материя: популация от черни дупки, които може да са се образували много скоро след Големия взрив. Тези "първични" черни дупки не са като космическите чудовища, които откриваме днес, а по-скоро микроскопични области от свръхплътна материя, които биха се образували през първата квинтилионна част (10-18) от секундата след Големия взрив и след това са колапсирали и разпръснали из космоса, привличайки заобикалящото ги пространство-време по начин, който би могъл да обясни тъмната материя, която познаваме днес.

Сега физици от Масачузетския технологичен институт откриват, че този първичен процес би създал и някои неочаквани спътници: още по-малки черни дупки с безпрецедентни количества ядрено-физично свойство, известно като "цветен заряд". (Повече за цветния заряд може да прочетете в "Елементарните частици").

Цветовете на барионите

За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки (долен (d), горен (u), странен (s), чаровен (c), дънен (b), върховен (t)), се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят, когато смесят, дават бял.

Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.

Всеки кварк има един от трите цвята, а глуоните - един от 8 цвята или антицвята.

Барионите (от βαρύς, тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.

Тези най-малки, "свръхзаредени" черни дупки биха били изцяло ново състояние на материята, които вероятно са се изпарили за част от секундата, след като са се появили. И все пак те биха могли да повлияят на важен космологичен преход: времето, когато са се образували първите атомни ядра.

Физиците предполагат, че цветно заредените черни дупки биха могли да повлияят на баланса на сливащи се ядра по начин, който астрономите биха могли някой ден да открият с бъдещи измервания. Подобно наблюдение би посочило убедително първичните черни дупки като източник на цялата тъмна материя днес.

"Въпреки че тези краткотрайни, екзотични частици не съществуват сега, те биха могли да повлияят на космическата история по начин, който би могъл да се прояви във фини сигнали днес", отъбелязва Дейвид Кайзер (David Kaiser,), професор по история на науката в Гермесхаузен и професор по физика в MIT. "В рамките на идеята, че цялата тъмна материя може да се обясни с черни дупки, това ни дава нови неща, които да търсим."

Кайзер и неговият съавтор, студентката от Масачузетския технологичен институт Елба Алонсо-Монсалве, са публикували своето изследване в списание Physical Review Letters.

Черните дупки, които познаваме и откриваме днес, са продукт на колапса на звезда, когато центърът на масивна звезда се свива навътре, образувайки област, толкова плътна, че може да огъне пространство-времето, така че всичко - дори светлината - да бъде уловена в нея. Такива "астрофизични" черни дупки могат да бъдат от няколко пъти по-масивни от слънцето до много милиарди пъти по-масивни.

"Първичните" черни дупки, за разлика от тях, биха били много по-малки и се смята, че са се образували във време преди формирането на звездите. Преди Вселената дори да е съставила основните елементи, да не говорим за звездите, учените смятат, че джобове от ултраплътна, първична материя може да са се натрупали и да са колапсирали, за да образуват микроскопични черни дупки, които биха могли да бъдат толкова плътни, че да притиснат масата на астероид в обем, колкото един атом. Гравитационното привличане от тези малки, невидими обекти, разпръснати из Вселената, може да обясни цялата тъмна материя, която не можем да видим днес.

Ако това е така, тогава от какво може да са били направени тези първични черни дупки? Това е въпросът, на който Кайзер и Алонсо-Монсалве се опитват да отговорят в новото си проучване.

"Изучавано е какво ще бъде разпределението на масите на черните дупки по време на тези процеси в ранната Вселена, но никога не са го свързвали с това какво би попаднало в тези черни дупки по времето, когато са се образували", обяснява Кайзер.

Свръхзаредени носорози

Авторите на новото проучване първо разглеждат съществуващите теории за вероятното разпределение на масите на черните дупки, докато са се образували за първи път в ранната вселена.

"Разбрахме, че има пряка връзка между това кога се образува първичната черна дупка и с каква маса се образува", разказва Алонсо-Монсалве. "И този период от време е абсурдно рано."

Тя и Кайзер изчисляват, че първичните черни дупки трябва да са се образували в рамките на първата квинтилионна част от секундата след Големия взрив. По това време биха се  създали "типични" микроскопични черни дупки, масивни като астероид и малки като атом. Ще има и известно количествот експоненциално по-малки черни дупки, с маса на носорог и размер, много по-малък от един протон.

От какво биха били направени тези първични черни дупки?

За целта физиците се насочват към теорията на квантовата хромодинамика (КХД). разглеждаща как си взаимодействат кварките и глуоните.

Кварките и глуоните са основните градивни елементи на протоните и неутроните - елементарни частици, които се комбинират, за да образуват основните елементи на периодичната таблица. Физиците изчисляват, че непосредствено след Големия взрив, въз основа на КХД, Вселената е била изключително гореща плазма от кварки и глуони, които след това бързо се охлаждат и комбинират, за да произведат протони и неутрони.

Изследователите откриват, че в рамките на първата квинтилионна част от секундата Вселената все още би била супа от свободни кварки и глуони, които все още не са се комбинирали. Всички черни дупки, които са се образували по това време, биха погълнали необвързаните частици, заедно с тяхното екзотично свойство, наречено "цветен заряд" – състояние на заряд, което носят само некомбинирани кварки и глуони.

"След като разбрахме, че тези черни дупки се образуват в кварк-глуонната плазма, най-важното нещо, което трябваше да разберем, бе колко цветен заряд се съдържа в материята, погълната от първична черна дупка?", разказва Алонсо-Монсалве.

Използвайки теорията на КХД, авторите са разработили разпределението на цветния заряд, който би трябвало да съществува в горещата плазма в ранната Вселена. След това те сравняват това с размера на обема, който ще колапсира и ще образува черна дупка в първата квинтилионна част от секундата. Оказва се, че не би имало много цветен заряд в повечето типични черни дупки по онова време, тъй като те биха се образували чрез абсорбиране на огромен брой области, които имат смес от заряди, което в крайна сметка би довело до "неутрален" заряд.

Но най-малките черни дупки могат да се напълнят с цветен заряд. Всъщност биха съдържали максималното количество от всякакъв вид заряд, разрешено за черна дупка, според основните закони на физиката. Макар такива "екстремни" черни дупки да са били обект на хипотези от десетилетия, досега никой не е открил реалистичен процес, чрез който подобни странности действително биха могли да се образуват в нашата вселена.

Професор Бърнард Кар (Bernard Carr) от университета "Куин Мери" в Лондон, експерт по темата за първичните черни дупки, който за първи път работи по темата със Стивън Хокинг, описва новата работа като "вълнуваща". Кар, който не е участвал в изследването, отбелязва, че работата "показва, че има обстоятелства, при които малка част от ранната вселена може да премине в обекти с огромно количество цветен заряд (поне за известно време), експоненциално по-голям от това, което е идентифицирано в предишни изследвания на КХД.

Свръхзаредените черни дупки биха се изпарили бързо, но вероятно едва след времето, когато започват да се образуват първите атомни ядра. Учените изчисляват, че този процес е започнал около една секунда след Големия взрив, което би дало на екстремните черни дупки достатъчно време, за да нарушат условията на равновесие, които са преобладавали, когато първите ядра са започнали да се образуват. Такива смущения биха могли потенциално да повлияят на формирането на тези най-ранни ядра по начин, който някой ден може да бъде наблюдаван.

"Тези обекти може да са оставили някои интересни наблюдаеми следи", разсъждава Алонсо-Монсалве.

Справка: Primordial Black Holes with QCD Color Charge; Elba Alonso-Monsalve and David I. Kaiser; Phys. Rev. Lett. 132, 231402 – Published 6 June 2024; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.231402 

Източник: Exotic black holes could be a byproduct of dark matter, Jennifer Chu | MIT News

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !