Exploderande svarta hål kan avslöja mer om universums historia.

 

Bild https://www.umass.edu/ Illustratörs koncept visar  ett fantasifullt tillvägagångssätt för att föreställa sig små ursprungliga svarta hål. I själva verket skulle sådana små svarta hål ha svårt att bilda ackretionsskivorna som gör dem synliga som bilden visar. NASA:s Goddard Space Flight Center.

Fyndet av ett svart hål som exploderar skulle bli ett starkt bevis för en teori om en  typ av svart hål som aldrig observerats, ett så kallat "ursprungligt svart hål", bildat mindre än en sekund efter Big Bang för 13,8 miljarder år sedan. Dessutom skulle explosionen ge oss en definitiv katalog över alla subatomära partiklar som existerar, inklusive de vi har observerat, som elektroner, kvarkar och Higgsbosoner. Men även de partiklar som vi bara har hypoteser om, som partiklar av mörk materia liksom allt annat som kan finnas men hittills är helt okänt för vetenskapen. Denna katalog skulle äntligen svara på en av mänsklighetens äldsta fråga: varifrån kom allt som existerar?

Vi vet att svarta hål existerar och vi har en god förståelse för deras livscykel: en gammal, stor stjärna får slut på bränsle, imploderar i en massivt kraftfull supernova och lämnar efter sig ett område av rumtiden med så intensiv gravitation att ingenting, inte ens ljus, kan fly därifrån. Dessa svarta hål är otroligt tunga och är i princip stabila.

Men, som fysikern Stephen Hawking påpekade 1970, kan en annan typ av svart hål finnas. Ett ursprungligt svart hål (PBH) inte skapas av en stjärnas kollaps utan av universums ursprungliga förhållanden strax efter Big Bang. PBH:er, är likt kända svarta hål så massivt täta att nästan ingenting kan undkomma dem. Inte ens ljus därför är de svarta. Men trots sin densitet kan PBH:er vara mycket ljusare än de svarta hål som vi hittills har observerat. Dessutom visade Hawking att svarta hål har en temperatur och i teorin skulle kunna att långsamt sända ut partiklar via det som kallas "Hawkingstrålning" om de blev tillräckligt varma. 

– Ju ljusare ett svart hål är desto varmare borde det vara och desto fler partiklar kommer det att släppa från sig. När PBH:er avdunstar blir de allt lättare och därmed varmare och avge än mer strålning i en skenande process fram till att de exploderar. Det är den Hawkingstrålningen som våra teleskop kan upptäcka, beskriver Andrea Thamm, medförfattare och biträdande professor i fysik vid University of Massachusetts Amherst . Men ingen har någonsin direkt observerat en PBH.

– Vi vet hur man observerar den här Hawkingstrålningen, beskriver Joaquim Iguaz Juan, postdoktoral forskare i fysik vid University of Massachusetts Amherst. "Vi kan se det med vår nuvarande uppsättning teleskop och eftersom de enda svarta hålen som kan explodera idag eller inom en snar framtid är dessa PBH:er, vi vet att om vi ser Hawkingstrålning så ser vi en exploderande PBH."

Teamets nya hypotes är att de är redo för att se en explosion. "Vi tror att det finns upp till 90 procents chans att bevittna en exploderande PBH under de kommande 10 åren", beskriver Aidan Symons, en av artikelns medförfattare och doktorand i fysik vid University of Massachusetts Amherst.

I sitt arbete utforskar teamet en "mörk QED-modell". Detta är i huvudsak en kopia av den vanliga elektriska kraften som vi känner den, men som inkluderar en mycket tung, hypotetisk version av elektron, som teamet kallar en "mörk elektron".

Forskarlaget omprövade sedan gamla antaganden om den elektriska laddningen hos svarta hål. Vanliga svarta hål har ingen laddning, och det antogs att PBH:er också är elektriskt neutrala.

"Vi gör ett annat antagande", beskriver Michael Baker, medförfattare och biträdande professor i fysik vid University of Massachusetts Amherst. – Vi visar att om ett ursprungligt svart hål bildas med en liten mörk elektrisk laddning så förutsäger modellen att det ska stabiliseras tillfälligt innan det slutligen exploderar, beskriver han. Genom att ta hänsyn till alla kända experimentella data finner  vi då att vi ska potentiellt  kunna observera en PBH-explosion inte en gång på 100 000 år som man tidigare trott, utan en gång per 10 år.

"Vi påstår inte att det absolut kommer att hända under det här decenniet", beskriver Baker, "Men det kan finnas en 90-procentig chans att det gör det. Eftersom vi redan har tekniken för att observera dessa explosioner bör vi vara redo.

Iguaz Juan tillägger: "Detta skulle vara den första direkta observationen  isåfall någonsin av både Hawking-strålning och en PBH. Vi skulle  få ett definitivt register över varje partikel som utgör allt som finns i universum. Det skulle revolutionera fysiken helt och  skriva om universums historia. 

En forskningsrapport finns publicerad i Physical ReviewLetters