Medan många fysiker har förutspått förekomsten av mörk materia, en typ av materia som inte absorberar, reflektera eller avge ljus, hittills har ingen kunnat observera det experimentellt eller bestämma dess grundläggande natur. Ljusa primordiala svarta hål (PBHs), svarta hål som bildades i det tidiga universum, är bland de mest lovande kandidaterna för mörk materia. Dock, förekomsten av dessa svarta hål har ännu inte bekräftats.

Forskare vid University of Amsterdam och University of California-Santa Cruz har nyligen genomfört en studie som syftar till att förbättra befintliga begränsningar för det tillåtna parameterutrymmet för PBHs som mörk materia. I deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , de föreslår också en möjlig metod som skulle kunna användas för att direkt detektera Hawking-strålning i områden med täta mörk materia och potentiellt möjliggöra upptäckten av mörk materia PBH.

Hawkingstrålning är den termiska strålning som Stephen Hawking förutspådde att spontant sändas ut av svarta hål. Denna strålning antas uppstå från omvandlingen av kvantvakuumfluktuationer till par av partiklar, den ena flyr det svarta hålet och den andra instängd i dess händelsehorisont (d.v.s. gränsen runt svarta hål från vilka inget ljus eller strålning kan komma ut).

"PBHs som omfattar mer än några få procent av den mörka materien skulle behöva ha en massa mellan cirka 10 ¹⁶ gram och 10 ³⁵ gram, "Adam Coogan, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Över större delen av det intervallet, olika observationer utesluter dem från att utgöra 100 % av den mörka materian. Dock, det finns en anmärkningsvärd lucka i begränsningarna:PBH:er med massor runt en asteroids (~10) ¹⁷ gram till 10 ²² gram) kan fortfarande utgöra all mörk materia."

Att identifiera metoder för att begränsa det tillåtna parameterutrymmet för PBHs eller detektera Hawking-strålningen som härrör från dem kan vara ett viktigt steg mot observationen eller upptäckten av PBH-mörk materia. Coogan, i samarbete med sina kollegor Logan Morrison och Stefano Profumo, satte sig därför för att undersöka potentialen hos MeV gammastrålningsteleskop som verktyg för att upptäcka PBH Hawking-strålning.

"Huvudidén bakom vårt arbete var att tänka på ett speciellt sätt att leta efter PBH:er i asteroidmassa, Coogan förklarade. "Lätta PBH förväntas sända ut Hawking-strålning som består av en blandning av fotoner och andra ljuspartiklar, såsom elektroner och pioner. Teleskop kan sedan söka efter denna strålning genom att observera vår galax eller andra galaxer. Målet med vår uppsats var att förstå hur väl kommande teleskop skulle kunna observera denna strålning och följaktligen hur mycket av asteroidmassans PBH-parameterutrymme de kunde sondera."

Samtidigt som man försöker uppskatta massorna av PBH som framväxande teleskop kan hjälpa till att begränsa, Coogan och hans kollegor upptäckte att tidigare studier ännu inte hade analyserat data som samlats in av COMPTEL-teleskopet, ett gammastråleteleskop som lanserats av NASA ombord på Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Denna data, dock, skulle kunna bidra till att begränsa förekomsten av PBH:er något under asteroid-massagapet (dvs. under 10 ¹⁷ gram). Även om det redan finns begränsningar i detta massområde tack vare observationer av Hawking-strålning som samlats in av Voyager 1 och International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) satellit, de nya begränsningarna som forskarna införde visade sig vara de starkaste hittills.

"Nyckelinput för att beräkna begränsningar och göra projektioner är att beräkna spektrumet av Hawking-strålning som produceras av en enda PBH, ", sade Coogan. "Vi förfinade denna beräkning i jämförelse med befintliga verktyg i litteraturen genom att förbättra hur strålning som produceras av elektroner och pioner redovisas i spektrumet. Resten av beräkningarna är ganska typiska för sökningar av mörk materia."

Om vi ​​antar att PBH med en specifik massa utgör en given bråkdel av den totala mörka materien i rymden, beräkningarna som utfördes av Coogan och hans kollegor skulle tillåta forskare att beräkna deras bidrag till spektrumet av fotoner som emitteras av ett astrofysiskt objekt som tros innehålla en betydande mängd mörk materia, såsom Vintergatans centrum. Om det spektrum som uppskattades av dessa beräkningar var mycket ljusare än det observerade spektrumet, till exempel, man skulle kunna utesluta möjligheten att PBH av den specifika massan utgör en specifik fraktion av mörk materia.

"Att göra prognoser för framtida teleskops prestanda följer liknande linjer, även om det inte finns något observerat spektrum att jämföra med, Coogan förklarade. "I det här fallet, spektrumet av fotoner som emitteras av PBH jämförs med en modell för den förväntade astrofysiska bakgrunden för fotoner."

Den senaste studien av Coogan, Morrison och Profumo sätter de starkaste begränsningarna för lågmassa-PBH:er hittills, använda data som samlats in som en del av ett experiment som slutfördes för 20 år sedan. Dessutom, forskarna visade att kommande teleskop som kan observera MeV-energi gammastrålar kan hjälpa till att undersöka asteroidmassa PBH, vilket är en mycket svår del av PBH-parameterutrymmet att sondera.

"Astronomisamhället har övervägt flera förslag för sådana teleskop under de senaste åren och jag tror att vårt dokument ger ytterligare en solid motivation för att konstruera dem, " tillade Coogan. "Bortsett från PBHs, vi har studerat hur kommande MeV gammastrålningteleskop kan undersöka olika modeller av partikelmörk materia. Vi avslutade nyligen ett annat dokument där vi beräknade gammastrålningsspektra för några speciella sådana modeller och arbetar med andra medarbetare för att förfina dessa beräkningar."

Coogan, Morrison och Profumo har nyligen också samarbetat med Alexander Moiseev, en forskare vid NASA, som utvecklar ett teleskop som kallas Galactic Explorer with a Coded Aperture Mask Compton Telescope (GECCO). Tillsammans med Moiseev, de har försökt kartlägga sätt på vilka GECCO skulle kunna hjälpa sökandet efter mörk materia.

© 2021 Science X Network