Forskare vid Research Center for the Early Universe (RESCEU) och Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) vid University of Tokyo har tillämpat den välförstådda och mycket verifierade kvantfältteorin, vanligtvis tillämpad på studiet av det mycket lilla, till ett nytt mål, det tidiga universum.

Deras utforskning ledde till slutsatsen att det borde finnas mycket färre svarta miniatyrhål än de flesta modeller antyder, även om observationer för att bekräfta detta snart borde vara möjligt. Den specifika sorten av svarta hål i fråga kan vara en utmanare för mörk materia. Deras arbete har publicerats i Physical Review Letters och Fysisk granskning D .

Att studera universum kan vara en skrämmande sak, så låt oss se till att vi alla är på samma sida. Även om detaljerna är otydliga, är den allmänna enigheten bland fysiker att universum är cirka 13,8 miljarder år gammalt, började med en smäll, expanderade snabbt under en period som kallas inflation, och någonstans längs linjen gick från att vara homogent till att innehålla detaljer och struktur.

Det mesta av universum är tomt, men trots detta verkar det vara betydligt tyngre än vad som kan förklaras av vad vi kan se – vi kallar denna avvikelse för mörk materia, och ingen vet vad det kan vara, men bevis byggs upp för att det kan vara svarta hål, speciellt gamla.

"Vi kallar dem primordiala svarta hål (PBH), och många forskare anser att de är en stark kandidat för mörk materia, men det skulle behöva finnas gott om dem för att tillfredsställa den teorin", säger doktorand Jason Kristiano.

"De är intressanta också av andra skäl, eftersom det sedan den senaste innovationen av gravitationsvågastronomi har gjorts upptäckter av binära svarta håls sammanslagningar, vilket kan förklaras om PBH:er finns i stort antal. Men trots dessa starka skäl för deras förväntade överflöd, vi har inte sett några direkt, och nu har vi en modell som borde förklara varför det är så."

Kristiano och hans handledare, professor Jun'ichi Yokoyama, för närvarande chef för Kavli IPMU och RESCEU, har utförligt utforskat de olika modellerna för PBH-bildning, men fann att de ledande utmanarna inte överensstämmer med faktiska observationer av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) , vilket är ungefär som ett överblivet fingeravtryck från Big Bang-explosionen som markerar början av universum. Och om något inte överensstämmer med solida observationer, kan det antingen inte vara sant eller kan i bästa fall bara måla en del av en bild.

I det här fallet använde teamet ett nytt tillvägagångssätt för att korrigera den ledande modellen för PBH-bildning från kosmisk inflation så att den bättre överensstämmer med aktuella observationer och kunde verifieras ytterligare med kommande observationer av jordbaserade gravitationsvågobservatorier runt om i världen.

"I början var universum otroligt litet, mycket mindre än storleken på en enda atom. Den kosmiska inflationen expanderade snabbt med 25 storleksordningar. På den tiden kunde vågor som färdades genom denna lilla rymd ha haft relativt stora amplituder men mycket korta våglängder Vad vi har funnit är att dessa små men starka vågor kan översättas till annars oförklarlig förstärkning av mycket längre vågor som vi ser i den nuvarande CMB, säger Yokoyama.

"Vi tror att detta beror på enstaka fall av koherens mellan dessa tidiga kortvågor, vilket kan förklaras med kvantfältteori, den mest robusta teorin vi har för att beskriva vardagliga fenomen som fotoner eller elektroner. Medan individuella kortvågor skulle vara relativt kraftlösa , sammanhängande grupper skulle ha makten att omforma vågor som är mycket större än de själva. Detta är ett sällsynt fall där en teori om något i en extrem skala verkar förklara något i den motsatta änden av skalan."

Om, som Kristiano och Yokoyama föreslår, tidiga småskaliga fluktuationer i universum påverkar några av de större fluktuationer vi ser i CMB, kan det ändra standardförklaringen av grova strukturer i universum. Men också, eftersom vi kan använda mätningar av våglängder i CMB för att effektivt begränsa omfattningen av motsvarande våglängder i det tidiga universum, begränsar det nödvändigtvis alla andra fenomen som kan förlita sig på dessa kortare, starkare våglängder. Och det är här PBH:erna kommer in igen.

"Det är en allmän uppfattning att kollapsen av korta men starka våglängder i det tidiga universum är det som skapar ursprungliga svarta hål", sa Kristiano. "Vår studie tyder på att det borde finnas mycket färre PBH än vad som skulle behövas om de verkligen är en stark kandidat för mörk materia eller gravitationsvåghändelser."

I skrivande stund är världens gravitationsvågsobservatorier, LIGO i USA, Jungfrun i Italien och KAGRA i Japan, mitt uppe i ett observationsuppdrag som syftar till att observera de första små svarta hålen, troligen PBH. I vilket fall som helst bör resultaten erbjuda teamet solida bevis för att hjälpa dem att förfina sin teori ytterligare.