Explodující prvotní černé díry mohly změnit raný vesmír

Raný vesmír je naprosto tak daleko od našeho chápání fungování světa, že je těžké ho popsat slovy. Tehdy nebyl vesmír plný hvězd a galaxií, ale vroucí polévky kvarků a gluonů, s několika mikroskopickými černými dírami, které občas explodovaly jako hlubinné nálože. To je raný vesmír, jak teoretizuje nový článek, dostupný v předtisku na arXiv, od výzkumníků z Vrije Universiteit Brussel a Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Prvotní černé díry (PBH – Primordial Black Holes) jsou předmětem mnoha současných výzkumů. Jsou to hypotetické objekty, které by se vytvořily v prvních sekundách po Velkém třesku a velmi se liší od typů černých děr hvězdné hmotnosti, které můžeme vidět dnes. V extrémně hustém prostředí po Velkém třesku se mohly o něco hustší oblasti zhroutit přímo do černých děr – jejichž velikost se pohybovala od mikroskopických až po supermasivní obry.

V této konkrétní výzkumné práci se autoři zaměřili na nízkohmotné PBH. Zatímco si představujeme černé díry jako absorbéry světla a všeho možného, ve skutečnosti uvolňují energii do okolního prostoru. Hawkingovo záření, pojmenované po Stephenu Hawkingovi, fyzikovi, který navrhl jeho existenci, má však jeden háček. Podle teorie platí, že čím menší je černá díra, tím se zahřívá rychleji a tím rychleji se vypařuje. PBH, které vážily méně než 500 bilionů gramů (což je podle standardů černých děr poměrně málo), by se do dnešní doby úplně vypařily. Ale neodejdou ze světa potichu – odejdou s výbuchem.

Současná kosmologická teorie o smrti PBH počítá s pouhým rozptýlením jejich energie ven do plazmatu vesmíru, čímž se vytvoří konzistentní „horké místo“ v kvark-gluonové polévce, ze které byl tvořen raný vesmír. Podle nového článku však byla realita umírání černých děr mnohem prudší a dramatičtější. Zejména pozorovali hydrodynamiku plazmatu kolem umírající PBH a uvědomili si, že energie uvolňovaná těmito mikroskopickými černými dírami byla tak obrovská a soustředěná, že vytvářela extrémní tlakové gradienty.

Masivní tlakové gradienty v tekutině (nebo plazmatu) mohou způsobit rázovou vlnu a v tomto konkrétním případě se vědci domnívají, že k tomu došlo, když mikroskopické PBH „zemřely“. V podstatě umírající PBH vytvořila relativistickou ohnivou kouli, která se rychle rozšířila do kosmické polévky.

Podle článku lze tento proces odpařování PBH rozdělit do čtyř odlišných fází. V první fázi, zatímco je PBH stále relativně hmotná, se pomalu odpařuje a vytváří stabilní, rozpínající se bublinu plazmatu. Nakonec se smrští na dostatečně malý bod, aby vstoupila do druhé fáze, kde okamžitě uvolní zbývající energii a vytvoří ultrarelativistický výbuch, který lze modelovat pomocí rámce známého jako režim Blandford-McKee.

Jak se rázová vlna rozpíná směrem ven, strhává s sebou více okolní plazmy a nakonec zpomaluje do třetí fáze, která je modelována nerelativistickým modelem rázových vln známým jako Sedovův-Taylorův režim. Nakonec i tato rázová vlna má svou energii absorbovanou okolním plazmatem a v podstatě ji zcela rozptýlí, když vstoupí do čtvrté fáze.

To je sice hezké, ale co mají mikroskopické černé díry, které v raném vesmíru prudce umírají, společného s jakoukoliv dnešní kosmologickou fyzikou? Podle článku by to mohlo být odpovědí na otázku baryogeneze.

Baryogeneze je honosný termín pro vysvětlení, proč vůbec existuje fyzická hmota. Podle našich nejlepších teorií Velkého třesku měla hmota a antihmota vzniknout rovnocenně – což znamená, že se měly také dokonale anihilovat. Ale to, co dnes známe jako „hmotu“, nějak vyhrálo tuto válku, které dnes říkáme baryogeneze, neboli vznik baryonů (subatomárních částic – protonů a neutronů – ze kterých se skládá normální hmota).

Náš nejlepší odhad je, že někde v raném vesmíru došlo k prudkému odklonu od tepelné rovnováhy, který způsobil, že přežilo více hmoty než antihmoty. Autoři aktuálního článku poukazují na vlastnost raného vesmíru zvanou elektroslabá symetrie (EW – Electroweak) jako možné vysvětlení. Pokud by teplota plazmatu raného vesmíru klesla pod 162 GeV (ano, kosmologové měří teplotu v elektronvoltech – ale to je příběh na jindy), EW symetrie by byla porušena.

Autoři se domnívají, že rázové vlny z explozí PBH mohly dočasně zvýšit teploty zpět nad tuto hranici a vytvořit tak kapsy symetrie EW v pohybující se „bublině“ plazmatu. To je přesně ten druh mechanismu mimo rovnováhu, který by byl potřebný k vytvoření nerovnováhy hmoty a antihmoty ve vesmíru – a je to natolik zajímavé, že stejný výzkumný tým zkoumá důsledky této situace v doprovodném článku.

Stručně řečeno, podle této nové teorie mohl být raný vesmír formován prudkými explozemi drobných černých děr a doslova vše, co ve vesmíru vidíme, včetně nás samotných, se skládá z hmoty vytvořené těmito explozemi. Takže místo toho, abychom říkali, že jsme stvořeni z hvězdné hmoty, bychom možná mohli začít říkat, že jsme stvořeni z rázových vln černých děr – i když to nezní úplně stejně.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/exploding-primordial-black-holes-might-have-reshaped-the-early-universe-and-created-all-matter-as-we

autor: František Martinek