Astronomer har upptäckt svarta hål som sträcker sig från några gånger solens massa till tiotals miljarder. Nu har en grupp forskare förutspått att NASA:s romerska rymdteleskop Nancy Grace kan hitta en klass av "fjäderviktiga" svarta hål som hittills har undgått upptäckt.
Idag bildas svarta hål antingen när en massiv stjärna kollapsar eller när tunga föremål smälter samman. Forskare misstänker dock att mindre "ursprungliga" svarta hål, inklusive några med massor som liknar jordens, kunde ha bildats under de första kaotiska ögonblicken i det tidiga universum.
"Att upptäcka en population av jordmassa ursprungliga svarta hål skulle vara ett otroligt steg för både astronomi och partikelfysik eftersom dessa objekt inte kan bildas av någon känd fysisk process", säger William DeRocco, postdoktor vid University of California Santa Cruz som ledde en studie om hur Roman kunde avslöja dem.
En artikel som beskriver resultaten har publicerats i tidskriften Physical Review D . "Om vi hittar dem kommer det att skaka om området teoretisk fysik."
De minsta svarta hålen som bildas nuförtiden föds när en massiv stjärna får slut på bränsle. Dess yttre tryck avtar när kärnfusionen dör, så inåtgående gravitationskraft vinner dragkampen. Stjärnan drar ihop sig och kan bli så tät att det blir ett svart hål.
Men det krävs en minimimassa:minst åtta gånger vår sols massa. Lättare stjärnor blir antingen vita dvärgar eller neutronstjärnor.
Förhållandena i det mycket tidiga universum kan dock ha tillåtit mycket lättare svarta hål att bildas. En som väger jordens massa skulle ha en händelsehorisont – – punkten utan återvändo för infallande föremål – – ungefär lika bred som ett amerikanskt dime-mynt.
Precis när universum föddes tror forskare att det upplevde en kort men intensiv fas som kallas inflation när rymden expanderade snabbare än ljusets hastighet. Under dessa speciella förhållanden kan områden som var tätare än omgivningen ha kollapsat för att bilda lågmassa ursprungliga svarta hål.
Medan teorin förutspår att de minsta borde avdunsta innan universum har nått sin nuvarande ålder, kunde de med massor som liknar jorden ha överlevt.
Att upptäcka dessa små föremål skulle ha en enorm inverkan på fysik och astronomi.
"Det skulle påverka allt från galaxbildning till universums innehåll av mörk materia till kosmisk historia", säger Kailash Sahu, en astronom vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, som inte var inblandad i studien. "Att bekräfta deras identiteter kommer att vara hårt arbete och astronomer kommer att behöva mycket övertygande, men det skulle vara väl värt det."
Observationer har redan avslöjat ledtrådar om att sådana föremål kan ligga på lur i vår galax. Ursprungliga svarta hål skulle vara osynliga, men rynkor i rum-tiden har hjälpt till att samla några möjliga misstänkta.
Mikrolinsning är en observationseffekt som uppstår eftersom närvaron av massa förvränger rymdtidens tyg, som avtrycket en bowlingklot gör när den ställs på en studsmatta. Varje gång ett mellanliggande objekt verkar driva nära en bakgrundsstjärna från vår utsiktspunkt, måste stjärnans ljus passera den förvrängda rumtiden runt objektet. Om justeringen är särskilt nära kan objektet fungera som en naturlig lins, fokusera och förstärka bakgrundsstjärnans ljus.
Separata grupper av astronomer som använder data från MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) –– ett samarbete som genomför mikrolinsobservationer med Mount John University Observatory i Nya Zeeland –– och OGLE (the Optical Gravitational Lensing Experiment) har hittat en oväntat stor population av isolerade Jordmassobjekt.
Planetbildnings- och evolutionsteorier förutsäger vissa massor och överflöd av oseriösa planeter – världar som strövar omkring i galaxen obundna till en stjärna. MOA- och OGLE-observationerna tyder på att det finns fler jordmassaobjekt som driver genom galaxen än vad modeller förutsäger.
"Det finns inget sätt att skilja mellan jordmassans svarta hål och oseriösa planeter från fall till fall," sa DeRocco. Men forskare förväntar sig att Roman ska hitta 10 gånger så många föremål i detta massintervall än markbaserade teleskop. "Roman kommer att vara extremt kraftfull när det gäller att skilja mellan de två statistiskt."
DeRocco ledde ett försök att avgöra hur många oseriösa planeter som skulle finnas i det massintervallet och hur många ursvarta hål som Roman kunde urskilja bland dem.
Att hitta ursprungliga svarta hål skulle avslöja ny information om det mycket tidiga universum, och skulle starkt antyda att en tidig period av inflation verkligen inträffade. Det kan också förklara en liten andel av den mystiska mörka materia som forskare säger utgör huvuddelen av vårt universums massa, men de har hittills inte kunnat identifiera.
"Det här är ett spännande exempel på något extra forskare kan göra med data som Roman redan kommer att få när den söker efter planeter," sa Sahu. "Och resultaten är intressanta oavsett om forskare hittar bevis för att det finns svarta hål i jordmassan eller inte. Det skulle stärka vår förståelse av universum i båda fallen."
Mer information: William DeRocco et al, Revealing terrestrial-mass primordial black holes with the Nancy Grace Roman Space Telescope, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.023013. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.00751
Journalinformation: Fysisk granskning D , arXiv
Tillhandahålls av NASA
