Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) är hem för många tvärvetenskapliga projekt som drar nytta av synergin från ett brett utbud av expertis som finns tillgänglig vid institutet. Ett sådant projekt är studiet av svarta hål som kunde ha bildats i det tidiga universum, innan stjärnor och galaxer föddes.

Sådana primordiala svarta hål (PBH) kan stå för hela eller delar av mörk materia, vara ansvarig för några av de observerade gravitationsvågsignalerna, och frö supermassiva svarta hål som finns i mitten av vår galax och andra galaxer. De kan också spela en roll i syntesen av tunga grundämnen när de kolliderar med neutronstjärnor och förstör dem, frigör neutronrikt material. Särskilt, det finns en spännande möjlighet att den mystiska mörka materien, som står för det mesta av materien i universum, består av ursprungliga svarta hål. Nobelpriset i fysik 2020 tilldelades en teoretiker, Roger Penrose, och två astronomer, Reinhard Genzel och Andrea Ghez, för deras upptäckter som bekräftade förekomsten av svarta hål. Eftersom det är känt att svarta hål finns i naturen, de är en mycket tilltalande kandidat för mörk materia.

De senaste framstegen inom grundläggande teori, astrofysik, och astronomiska observationer i jakt på PBHs har gjorts av ett internationellt team av partikelfysiker, kosmologer och astronomer, inklusive Kavli IPMU-medlemmar Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada och Volodymyr Takhistov.

För att lära dig mer om ursprungliga svarta hål, forskargruppen tittade på det tidiga universum efter ledtrådar. Det tidiga universum var så tätt att varje positiv densitetsfluktuation på mer än 50 procent skulle skapa ett svart hål. Dock, kosmologiska störningar som är kända för att seedade galaxer är mycket mindre. Ändå, ett antal processer i det tidiga universum kunde ha skapat de rätta förutsättningarna för att de svarta hålen skulle bildas.

En spännande möjlighet är att ursprungliga svarta hål kan bildas från "bebisuniversum" som skapades under inflationen, en period av snabb expansion som tros vara ansvarig för att så de strukturer vi observerar idag, såsom galaxer och galaxhopar. Under inflationen, babyuniversum kan förgrena sig från vårt universum. En liten baby (eller "dotter") universum skulle så småningom kollapsa, men den stora mängden energi som frigörs i den lilla volymen gör att ett svart hål bildas.

Ett ännu mer märkligt öde väntar ett större babyuniversum. Om den är större än någon kritisk storlek, Einsteins gravitationsteori tillåter babyuniversum att existera i ett tillstånd som ser annorlunda ut för en observatör på insidan och utsidan. En intern observatör ser det som ett expanderande universum, medan en utomstående observatör (som vi) ser det som ett svart hål. I vilket fall, det stora och det lilla babyuniversumet ses av oss som ursprungliga svarta hål, som döljer den underliggande strukturen hos flera universum bakom deras "händelsehorisonter". Händelsehorisonten är en gräns under vilken allt, även ljus, är instängd och kan inte fly det svarta hålet.

I deras tidning, teamet beskrev ett nytt scenario för PBH-bildning och visade att de svarta hålen från "multivers"-scenariot kan hittas med hjälp av Hyper Suprime-Cam (HSC) från 8,2 m Subaru-teleskopet, en gigantisk digitalkamera – vars ledning Kavli IPMU har spelat en avgörande roll – nära de 4, 200 meters topp av Mount Mauna Kea på Hawaii. Deras arbete är en spännande förlängning av HSC-sökningen av PBH som Masahiro Takada, chefsutredare vid Kavli IPMU, och hans team förföljer. HSC-teamet har nyligen rapporterat ledande begränsningar för förekomsten av PBH i Niikura, Takada et. al. ( Natur astronomi 3, 524-534 (2019))

Varför var HSC oumbärlig i denna forskning? HSC har en unik förmåga att avbilda hela Andromeda-galaxen med några minuter. Om ett svart hål passerar genom siktlinjen till en av stjärnorna, det svarta hålets gravitation böjer ljusstrålarna och gör att stjärnan ser ljusare ut än tidigare under en kort tidsperiod. Varaktigheten av stjärnans ljusning berättar för astronomerna massan av det svarta hålet. Med HSC observationer, man kan samtidigt observera hundra miljoner stjärnor, gjuter ett brett nät för ursvarta hål som kan korsa en av siktlinjerna.

De första HSC-observationerna har redan rapporterat en mycket spännande kandidathändelse som överensstämmer med en PBH från "multiversum, " med en svart håls massa jämförbar med månens massa. Uppmuntrad av detta första tecken, och vägleds av den nya teoretiska förståelsen, teamet genomför en ny omgång observationer för att utöka sökningen och för att ge ett definitivt test av om PBH från multiversumscenariot kan stå för all mörk materia.