Un semnal bizar detectat de observatorul LIGO ar putea oferi indicii cruciale pentru dezlegarea misterului materiei întunecate, o componentă esențială și încă incomplet înțeleasă a universului. Găurile negre primordiale, un concept fascinant din astronomie, ar putea fi pe cale să fie confirmate, deschizând noi perspective pentru înțelegerea universului.
Cercetătorii de la Universitatea din Miami sugerează că o detectare recentă de unde gravitaționale ar putea aduce oamenii de știință mai aproape de confirmarea existenței acestor obiecte cosmice străvechi. Acest lucru ar putea, la rândul său, să ajute la rezolvarea enigmei materiei întunecate.
Găurile negre primordiale se presupune că s-au format în primele fracțiuni de secundă după Big Bang, cu mult înainte de apariția primelor stele sau galaxii. Spre deosebire de găurile negre rezultate din colapsul stelelor masive, aceste obiecte ipotetice ar putea avea o gamă largă de dimensiuni, de la cele comparabile cu asteroizii până la corpuri mult mai mari.
Deși nicio gaură neagră primordială nu a fost confirmată până acum, oamenii de știință cred că acestea ar putea explica mai multe aspecte importante ale universului. Unul dintre cele mai mari mistere este natura materiei întunecate, substanța invizibilă care alcătuiește aproximativ 85% din toată materia existentă și care oferă forța gravitațională necesară pentru a menține galaxiile unite.
„Credem că studiul nostru va contribui la confirmarea faptului că acestea chiar există”, a declarat Nico Cappelluti, profesor asociat în Departamentul de Fizică al Universității din Miami, referindu-se la cercetarea sa împreună cu doctorandul Alberto Magaraggia.
**Un semnal LIGO neobișnuit**
Lucrările lor se bazează pe o posibilă descoperire raportată de Observatorul de Unde Gravitaționale cu Interferometru Laser (LIGO), care, la sfârșitul anului trecut, a detectat un semnal de unde gravitaționale neobișnuit. Undele gravitaționale sunt ondulații în spațiu-timp, produse de unele dintre cele mai violente evenimente cosmice, inclusiv coliziuni între găuri negre.
Majoritatea găurilor negre cunoscute se formează după ce stele masive explodează ca supernove. Masele acestora variază, în mod tipic, de la câteva ori masa Soarelui până la miliarde de mase solare.
„Cele mai comune găuri negre se formează în urma unei supernove, moartea unei stele masive. Deci, masele lor pot varia de la câteva ori masa Soarelui până la miliarde de mase solare”, a explicat Cappelluti. Cu toate acestea, în noiembrie, LIGO a emis o alertă automată pentru o fuziune în care cel puțin un obiect părea să aibă mai puțin de o masă solară. O gaură neagră atât de mică ar fi dificil de explicat prin evoluția stelară convențională și ar putea indica, în schimb, o gaură neagră primordială.
Nu toată lumea este convinsă. Unii astrofizicieni au sugerat că semnalul ar putea fi pur și simplu zgomot în detectoarele extrem de sensibile ale LIGO, mai degrabă decât dovada unei noi descoperiri remarcabile.
**Ar putea explica acest lucru materia întunecată?**
Cappelluti și Magaraggia susțin că obiectul detectat este cel mai bine explicat ca o gaură neagră primordială formată în condițiile dense ale universului timpuriu, cu mult înainte de existența stelelor. Pentru a testa această idee, cercetătorii au estimat câte găuri negre primordiale ar putea exista în cosmos și cât de frecvent ar trebui LIGO să le detecteze.
„Am încercat să estimăm câte găuri negre primordiale ar putea exista în univers și câte dintre ele LIGO ar trebui să fie capabil să le detecteze”, a spus Magaraggia. „Și rezultatele noastre sunt încurajatoare. Prezicem că găurile negre subsolare, precum cea pe care LIGO ar fi putut-o observa, ar trebui, într-adevăr, să fie rare, în concordanță cu cât de rar au fost observate astfel de evenimente până acum.”
Descoperirile lor, publicate în The Astrophysical Journal, sugerează că semnalul misterios LIGO nu are o explicație astrofizică convențională și este cel mai consistent cu o gaură neagră primordială.
„Studiul sugerează că cea mai plauzibilă explicație pentru semnalul LIGO, care nu are nicio explicație astrofizică convențională, este detectarea unei găuri negre primordiale”, a afirmat Cappelluti. „Și cercetarea noastră indică faptul că aceste găuri negre primordiale ar putea explica o porțiune semnificativă, dacă nu chiar întreaga materie întunecată.”
Cu toate acestea, ambii cercetători subliniază că o singură detectare nu este suficientă pentru a tranșa problema. Deocamdată, oamenii de știință trebuie să aștepte pentru a vedea dacă LIGO și partenerii săi internaționali vor înregistra evenimente suplimentare care să corespundă aceluiași tipar.
„LIGO a captat ceea ce este o dovadă foarte puternică că acest tip de găuri negre există. Dar vom avea nevoie să detectăm un alt semnal de acest gen sau chiar mai multe pentru a obține confirmarea definitivă că sunt reale”, a spus Cappelluti. „Dar ceea ce este clar este că existența lor nu poate fi exclusă.”
**O teorie veche de zeci de ani**
Conceptul găurilor negre primordiale datează din era Războiului Rece, când oamenii de știință sovietici Yakov Zeldovich și Igor Novikov au propus pentru prima dată existența lor. La începutul anilor 1970, Stephen Hawking a extins ideea, argumentând că aceste obiecte ar putea fi abundente în univers, ar emite radiații și ar putea explica materia întunecată.
LIGO a oferit ulterior prima oportunitate de a căuta dovezi care să susțină aceste teorii. Pe 14 septembrie 2015, observatorul a făcut istorie prin detectarea undelor gravitaționale pentru prima dată, confirmând o predicție majoră a teoriei generale a relativității a lui Albert Einstein și deschizând o modalitate complet nouă de a studia universul.
**Viitorul astronomiei undelor gravitaționale**
LIGO este compus din două observatoare situate în Hanford, Washington, și Livingston, Louisiana. Împreună cu detectorul Virgo din Italia și observatorul subteran KAGRA din Japonia, ele formează colaborarea internațională LVK, care caută găuri negre, regiuni ale spațiului unde gravitația este atât de puternică încât nici lumina nu poate scăpa.
Actualizările planificate vor face LIGO și mai sensibil, crescându-i șansele de a găsi găuri negre primordiale suplimentare. Cu toate acestea, cele două detectoare în formă de L ale observatorului, fiecare cu brațe de vid de 4 km, au fost proiectate pentru a detecta unde gravitaționale de înaltă frecvență produse de coliziuni cosmice relativ recente, nu undele generate direct în timpul Big Bang-ului în sine.
Observatoarele viitoare vor extinde acest domeniu mult mai înapoi în timp. Laser Interferometer Space Antenna (LISA) a Agenției Spațiale Europene, programată pentru lansare în 2035, este așteptată să detecteze unde gravitaționale din cele mai vechi epoci ale universului, după Big Bang. O altă facilitate planificată, Cosmic Explorer, se află în prezent în faza de proiectare în Statele Unite. Cercetătorii anticipează că va fi de aproximativ 10 ori mai sensibilă decât LIGO, permițându-i să detecteze fuziuni de găuri negre și stele neutronice care datează din era formării primelor stele.