Varför svarta hål kan utgöra all mörk materia

Mörk materia är det mystiska som kosmologer tror fyller vårt universum. Bevisen för dess existens är att det inte finns tillräckligt med synlig massa för att hålla ihop galaxer. Men eftersom galaxer uppenbarligen inte flyger isär, måste det finnas några osynliga saker, någon saknad massa, som genererar gravitationskrafterna som håller ihop dem.

Men det finns ett problem med denna idé. Två av dem faktiskt. För det första ger fysikernas bästa gissning om fysikens lagar en bra beskrivning av alla partiklar de har upptäckt hittills och några som de förväntar sig att upptäcka snart. Problemet är att ingen av dessa partiklar har rätt typ av egenskaper för att vara mörk materia, dvs elektriskt neutral, långlivad och långsam. Men ingen av de kända eller rimligen antagna partiklarna passar. För att ge plats åt en mörk materiepartikel måste fysikens lagar ändras på ett sätt som många teoretiker känner sig obekväma med.

För det andra, trots ett decennium som ägnat åt att leta efter mörk materia med experiment som kostade tiotals miljoner dollar, har ingen lagt ögonen på grejerna. De flesta fysiker tror att dessa experiment inte har hittat något: zip, zilch, noll.

Det är svårt att undgå slutsatsen att någon annan förklaring till den saknade massan behövs.

Ange Paul Frampton vid University of North Carolina och några kompisar. Framptons förslag är att den saknade massan består av svarta hål som är för små för att se direkt men för stora för att ha avdunstat på grund av Hawking-strålning.

Men den här idén är mer än en annan vild gissning. Frampton och kompisar har ett intressant argument baserat på entropi för att stödja deras påstående. Den går såhär.

Först avgör de vad universums maximala entropi kan vara genom att föreställa sig att hela det synliga universum var ett gigantiskt svart hål. Svaret visar sig vara 10^123, ett mycket stort tal. Så det är den övre gränsen för vad entropin kan vara.

Därefter räknar de ut en nedre gräns genom att lägga ihop entropin i alla kända svarta hål i universum. De räknar ut detta genom att anta att det finns ett gigantiskt svart hål i mitten av varje galax, en uppfattning som allt oftare hålls av astrofysiker.

Det ger siffran 10^103, många storleksordningar lägre.

Detta är en hel del entropi, för att vara säker, men Frampton och co så det är osannolikt att det är den största bidragsgivaren i vårt universum. Varje supermassivt svart hål är ungefär lika stort som vårt solsystem eller mindre och det är intuitivt osannolikt att i princip all entropi är så koncentrerad, säger han. Så något annat måste generera entropi någonstans.

Det kan inte vara synlig materia eftersom konventionella beräkningar indikerar att dess entropi bara blir 10^88. Det som finns kvar är entropin av den saknade mörka massan.

Vilken typ av svarta hål kan vara ansvariga för detta? Det visar sig att alla svarta hål som är större än 10^6 solmassor skulle få närliggande materia att spiralera in i det, vilket förhindrar att galaxer bildas. Allt mindre än 10^-8 solmassor skulle ha avdunstat.

Så slutsatsen är att mörk materia består av svarta hål med en massa på mellan 10^6 och 10^-8 solmassor.

Men det finns ett problem med denna idé också. Hur kunde dessa svarta hål ha bildats i ett så stort antal tidigt i universum. Något måste ha fått materia att klumpa ihop sig i denna skala för att bilda de svarta hålen. Men det finns inget som tyder på hur detta kan ha hänt i den nuvarande teorin om inflation, som beskriver hur det tidiga universum växte.

hatten är lätt att lösa säger Frampton och co: det måste ha varit två perioder av inflation. Den första ledde till universums storskaliga struktur som vi ser och har mätts av rymdfarkoster som WMAP. Den andra ledde till den klumpar som skapade ett stort antal medelstora ursvarta hål.

Det är en förklaring som är lite lättare att ta hand om än en där fysikens lagar måste ändras för att skapa nya mörk materia partiklar. Men bara precis.

Framptons idéer kan dock testas bättre genom att leta efter bevis för dessa ursprungliga svarta hål, som borde orsaka mikrolinsningshändelser: det vill säga deras gravitation bör fokusera ljuset från stjärnorna bakom dem sett från jorden.

Den typen av mätningar blir allt lättare att göra så det borde vara möjligt att acceptera eller förkasta Framptons idéer inom en inte alltför avlägsen framtid.

Refs:

arxiv.org/abs/1003.3356 Svarta hål utgör all mörk materia

arxiv.org/abs/1001.2308 : Primordial Black Holes As All Dark Matter

Dölj