En ny studie publicerad i Fysiska granskningsbrev beskriver hur forskare kan använda gravitationella vågsexperiment för att testa förekomsten av ursprungliga svarta hål, tyngdkraftsbrunnar bildades bara ögonblick efter Big Bang som vissa forskare har föreslagit kan vara en förklaring till mörk materia.

"Vi vet mycket väl att svarta hål kan bildas genom att stora stjärnor kollapsar, eller som vi har sett nyligen, sammanslagningen av två neutronstjärnor, "sa Savvas Koushiappas, docent i fysik vid Brown University och medförfattare till studien med Avi Loeb från Harvard University. "Men det har antagits att det kan finnas svarta hål som bildades i det mycket tidiga universum innan stjärnor överhuvudtaget existerade. Det är vad vi tar upp med detta arbete."

Tanken är att strax efter Big Bang, kvantmekaniska fluktuationer ledde till densitetsfördelningen av materia som vi observerar idag i det expanderande universum. Det har föreslagits att några av dessa täthetsfluktuationer kan ha varit tillräckligt stora för att resultera i svarta hål i hela universum. Dessa så kallade ursprungliga svarta hål föreslogs först i början av 1970-talet av Stephen Hawking och medarbetare men har aldrig upptäckts-det är fortfarande inte klart om de finns alls.

Möjligheten att upptäcka gravitationella vågor, som nyligen visats av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), har potential att kasta nytt ljus över frågan. Sådana experiment upptäcker krusningar i tyget av rymdtid i samband med jätte astronomiska händelser som kollision av två svarta hål. LIGO har redan upptäckt flera sammanslagningar av svarta hål, och framtida experiment kommer att kunna upptäcka händelser som hände mycket längre tillbaka i tiden.

"Tanken är väldigt enkel, "Koushiappas sa." Med framtida gravitationsvågsexperiment, vi kommer att kunna se tillbaka på en tid innan de första stjärnorna bildades. Så om vi ser svarta håls fusioner innan det fanns stjärnor, då kommer vi att veta att de svarta hålen inte är av starkt ursprung. "

Kosmologer mäter hur långt tillbaka i tiden en händelse inträffade med hjälp av rödförskjutning - sträckningen av ljusets våglängd i samband med universums expansion. Händelser längre bak i tiden är förknippade med större rödskiftningar. För denna studie, Koushiappas och Loeb beräknade den röda förskjutningen vid vilken sammanslagningar av svarta hål inte längre borde upptäckas med antagande av enbart ett starkt ursprung.

De visar att vid en röd skiftning på 40, vilket motsvarar cirka 65 miljoner år efter Big Bang, fusionshändelser bör upptäckas med en hastighet av högst en per år, med antagande av ett starkt ursprung. Vid röda skiftningar över 40, händelser bör försvinna helt och hållet.

"Det är verkligen den fallande punkten, "Sa Koushiappas." I verkligheten vi förväntar oss att fusionshändelser kommer att upphöra långt före den punkten, men en rödförskjutning på 40 eller så är den absolut hårdaste gränsen eller avstängningspunkten. "

En rödförskjutning på 40 bör vara inom räckhåll för flera föreslagna gravitationsvågsexperiment. Och om de upptäcker fusionshändelser utöver det, det betyder en av två saker, Koushiappas och Loeb säger:Antingen finns det ursprungliga svarta hål, eller det tidiga universum utvecklats på ett sätt som skiljer sig mycket från den vanliga kosmologiska modellen. Endera skulle vara mycket viktiga upptäckter, säger forskarna.

Till exempel, ursprungliga svarta hål faller i en kategori av enheter som kallas MACHO:er, eller Massiva kompakta Halo -objekt. Vissa forskare har föreslagit att mörk materia - de osynliga saker som man tror består av större delen av universums massa - kan vara gjorda av MACHO i form av urhål. En upptäckt av ursprungliga svarta hål skulle stärka den idén, medan en icke-upptäckt skulle göra det tveksamt.

Den enda andra möjliga förklaringen till sammanslagningar av svarta hål vid röda skiftningar över 40 är att universum är "icke-gaussiskt". I den vanliga kosmologiska modellen, materiella fluktuationer i det tidiga universum beskrivs av en gaussisk sannolikhetsfördelning. En fusionsdetektering kan innebära att materiella fluktuationer avviker från en gaussisk fördelning.

"Bevis för icke-Gaussianitet skulle kräva ny fysik för att förklara ursprunget till dessa fluktuationer, vilket skulle vara en stor grej, "Sa Loeb.

Hastigheten med vilken detekteringar görs förbi en rödförskjutning på 40-om verkligen sådana upptäckter görs-bör indikera om de är ett tecken på urhärliga svarta hål eller bevis för icke-Gaussianitet. Men en icke-upptäckt skulle utgöra en stark utmaning för dessa idéer.