Da li smo videli eksploziju crne rupe? Fizičari misle da jesmo i da bi to moglo da objasni (skoro) sve

Subatomska čestica pod nazivom neutrino 2023. pogodila je Zemlju sa tako visokim nivoom energije da bi to, prema dosadašnjim saznanjima, trebalo da je nemoguće. Zapravo, u čitavom svemiru ne postoje poznati izvori sposobni da proizvedu toliku energiju - 100.000 puta veću od one koju dostižu čestice u Velikom hadronskom sudaraču, najmoćnijem akceleratoru čestica na svetu.

Međutim, tim fizičara sa Univerziteta Masačusetsa u Amherstu nedavno je postavio hipotezu da se tako nešto može dogoditi kada eksplodira posebna vrsta crne rupe, nazvana „kvazi-ekstremna primordijalna crna rupa“, saopštio je Univerzitet Masačusetsa u Amherstu.

Preporučujemo

U novom istraživanju objavljenom u žurnalu Physical Review Letters, tim ne samo da objašnjava poreklo ovog inače nemogućeg neutrina, već pokazuje da bi ova elementarna čestica mogla otkriti samu fundamentalnu prirodu univerzuma.

Crne rupe postoje i mi dobro razumemo njihov životni ciklus: stara, masivna zvezda ostaje bez goriva, implodira u silovitoj eksploziji supernove i za sobom ostavlja oblast prostor-vremena sa tako intenzivnom gravitacijom da ništa, čak ni svetlost, ne može da joj pobegne. Ove crne rupe su neverovatno teške i suštinski stabilne.

Ali, kako je fizičar Stiven Hoking istakao 1970. godine, druga vrsta crne rupe - primordijalna crna rupa (PBH) - mogla bi nastati ne urušavanjem zvezde, već iz prvobitnih uslova u univerzumu ubrzo nakon Velikog praska. PBH za sada postoje samo u teoriji i, poput standardnih crnih rupa, toliko su masivno guste da im skoro ništa ne može pobeći. Međutim, uprkos svojoj gustini, PBH bi mogle biti mnogo lakše od onih koje smo do sada posmatrali. Štaviše, Hoking je pokazao da bi PBH, ako postanu dovoljno tople, mogle polako da emituju čestice putem procesa koji je danas poznat kao „Hokingovo zračenje“.

- Što je crna rupa lakša, to bi trebalo da bude toplija i da emituje više čestica. Kako PBH isparavaju, postaju sve lakše, a samim tim i toplije, emitujući još više zračenja u nekontrolisanom procesu koji vodi do eksplozije. Upravo to Hokingovo zračenje naši teleskopi mogu da detektuju – rekla je Andrea Tam, koautorka istraživanja i docentkinja fizike na Univerzitetu.

Ako bi se takva eksplozija uočila, ona bi nam dala definitivan katalog svih subatomskih čestica koje postoje, uključujući one koje smo već posmatrali (poput elektrona, kvarkova i Higsovih bozona), one o kojima imamo samo hipoteze (poput čestica tamne materije), kao i sve ostalo što je nauci za sada potpuno nepoznato. Tim iz Amhersta je ranije pokazao da bi se takve eksplozije mogle dešavati iznenađujuće često, otprilike jednom u deceniji, i da bi naši trenutni instrumenti za posmatranje kosmosa mogli da ih zabeleže ako obratimo pažnju.

Do ove tačke, sve je bilo teorija.

Zatim je 2023. godine eksperiment pod nazivom kolaboracija KM3NeT zabeležio taj nemogući neutrino, upravo onu vrstu dokaza za koju je tim sa UMass Amherst pretpostavio da bismo uskoro mogli videti. Ali postojao je problem: sličan eksperiment pod nazivom IceCube, takođe postavljen da hvata kosmičke neutrone visoke energije, ne samo da nije registrovao taj događaj, već nikada nije zabeležio ništa ni sa stotim delom te snage. Ako je svemir relativno pun PBH-ova i oni često eksplodiraju, zar ne bi trebalo da budemo zasuti neutrinima visoke energije? Šta može objasniti ovo neslaganje?

- Mislimo da su PBH sa „tamnim naelektrisanjem“, ono što zovemo kvazi-ekstremnim PBH, karika koja nedostaje – rekao je Žoakim Iguaz Huan, postdoktorand fizike na Univerzitetu i jedan od koautora rada.

Tamno naelektrisanje je u suštini kopija uobičajene električne sile kakvu poznajemo, ali koja uključuje veoma tešku, pretpostavljenu verziju elektrona, koju tim naziva „tamni elektron“.

- Postoje i drugi, jednostavniji modeli PBH, naš model sa tamnim naelektrisanjem je složeniji, što znači da može pružiti precizniji model stvarnosti. Sjajno je videti da naš model može objasniti ovaj inače neobjašnjiv fenomen – rekao je Majkl Bejker, koautor i docent fizike na Univerzitetu.

- PBH sa tamnim naelektrisanjem ima jedinstvena svojstva i ponaša se drugačije od ostalih, jednostavnijih modela. Pokazali smo da ovo može pružiti objašnjenje za sve naizgled protivrečne eksperimentalne podatke – dodao je.

Tim je uveren da njihov model ne samo da može objasniti ovaj neutrino, već može odgovoriti i na misteriju tamne materije.

- Posmatranja galaksija i kosmičkog pozadinskog mikrotalasnog zračenja sugerišu da neka vrsta tamne materije postoji – rekao je Bejker.

- Ako je naše pretpostavljeno tamno naelektrisanje stvarno, verujemo da bi mogla postojati značajna populacija PBH-ova, što bi bilo u skladu sa drugim astrofizičkim posmatranjima i objasnilo svu nedostajuću tamnu materiju u univerzumu – rekao je Iguaz Huan.

- Posmatranje neutrina visoke energije bio je neverovatan događaj. To nam je otvorilo novi prozor u univerzum. Ali sada bismo mogli biti na pragu eksperimentalne potvrde Hokingovog zračenja, dobijanja dokaza i za primordijalne crne rupe i za nove čestice izvan Standardnog modela, kao i objašnjenja misterije tamne materije – zaključio je Bejker.

(Telegraf Nauka/Umass Amherst)