חוקרים יישמו את תורת השדות הקוונטיים על היקום המוקדם, וחזו פחות חורים שחורים ראשוניים ממה שמציעים מודלים אחרים, מה שעלול להשפיע על תורת החומר האפל. קרדיט: twoday.co.il.com
תורת השדות הקוונטית חושפת פגמים פוטנציאליים במודלים המנבאים חורים שחורים קדומים רבים, מה שמצביע על קיומם של פחות, מה שעלול להשפיע על תיאוריות של חומר אפל ומבנה היקום.
חוקרים יישמו את תורת השדות הקוונטיים המובנת היטב והמאומתת ביותר, המיושמת בדרך כלל לחקר הקטן מאוד, על מטרה חדשה, היקום המוקדם. החקירה שלהם הובילה למסקנה שצריכים להיות הרבה פחות חורים שחורים מיניאטוריים ממה שרוב הדגמים מציעים, אם כי תצפיות שיאשרו זאת אמורות להיות אפשריות בקרוב. הסוג הספציפי של החור השחור המדובר יכול להיות מתמודד על חומר אפל.
המחקר, שפורסם לאחרונה ב מכתבי סקירה פיזיתנערך על ידי חוקרים במרכז המחקר ליקום המוקדם (RESCEU) ובמכון קבלי לפיזיקה ומתמטיקה של היקום (Kavli IPMU, WPI) באוניברסיטת טוקיו.
הבנת מקורות היקום
חקר היקום יכול להיות מכריע, אז בואו נוודא שכולנו נמצאים באותו עמוד. אף על פי שהפרטים מטושטשים, ההסכמה הכללית בקרב הפיזיקאים היא שהיקום הוא בן 13.8 מיליארד שנים בערך, התחיל במפץ, התרחב במהירות בתקופה שנקראת אינפלציה, ואיפשהו לאורך הקו עבר מלהיות הומוגנית למכיל פרטים ומבנה.
רוב היקום ריק, אך למרות זאת, נראה שהוא כבד משמעותית ממה שניתן להסביר על ידי מה שאנו יכולים לראות – אנו קוראים לפער הזה חומר אפל, ואף אחד לא יודע מה זה יכול להיות, אבל הראיות בונות שהוא עשויים להיות חורים שחורים, במיוחד ישנים.
התחלות צנועות. המחקר מגלה כיצד תנודות משרעת גדולות הנוצרות בקנה מידה קטן יכולות להגביר תנודות בקנה מידה גדול הנצפות ברקע המיקרוגל הקוסמי. קרדיט: © 2024 ESA/Planck Collaboration, שונה על ידי Jason Kristiano CC-BY-ND
חורים שחורים ראשוניים וחומר אפל
"אנחנו קוראים להם חורים שחורים ראשוניים (PBH), וחוקרים רבים מרגישים שהם מועמדים חזקים לחומר אפל, אבל יצטרכו להיות הרבה מהם כדי לספק את התיאוריה הזו", אמר הסטודנט לתואר שני ג'ייסון קריסטיאנו.
"הם מעניינים גם מסיבות אחרות, שכן מאז החידוש האחרון של אסטרונומיה של גלי כבידה, היו גילויים של בינארי חור שחור מיזוגים, שניתן להסביר אם קיימים PBHs במספרים גדולים. אבל למרות הסיבות החזקות הללו לשפע הצפוי שלהם, לא ראינו כאלה ישירות, ועכשיו יש לנו מודל שאמור להסביר למה זה המצב".
אתגרים בדגמי PBH נוכחיים
כריסטיאנו והמנחה שלו, פרופסור ג'וניצ'י יוקויאמה, כיום המנהל של Kavli IPMU ו-RESCEU, חקרו בהרחבה את המודלים השונים להיווצרות PBH, אך גילו שהמתמודדים המובילים אינם מתיישבים עם תצפיות בפועל על רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) , שזה בערך כמו שארית טביעת אצבע מה- המפץ הגדול פיצוץ המציין את תחילת היקום. ואם משהו לא מסכים עם תצפיות מוצקות, זה לא יכול להיות נכון או יכול לצייר רק חלק מתמונה במקרה הטוב.
במקרה זה, הצוות השתמש בגישה חדשנית כדי לתקן את המודל המוביל של היווצרות PBH מאינפלציה קוסמית, כך שהוא יתיישר טוב יותר עם התצפיות הנוכחיות וניתן לאמת אותו עוד יותר עם תצפיות עתידיות על ידי מצפה כוכבי כבידה יבשתיים ברחבי העולם.
תובנות תיאורטיות על אינפלציה קוסמית
"בהתחלה, היקום היה קטן להפליא, הרבה יותר קטן מגודלו של יחיד אָטוֹם. האינפלציה הקוסמית התרחבה במהירות ב-25 סדרי גודל. באותה תקופה, גלים שנעו בחלל הזעיר הזה היו יכולים להיות בעלי משרעות גדולות יחסית אך אורכי גל קצרים מאוד. מה שמצאנו הוא שהגלים הזעירים אך החזקים הללו יכולים לתרגם להגברה בלתי מוסברת אחרת של גלים ארוכים בהרבה שאנו רואים ב-CMB הנוכחי", אמר יוקויאמה.
"אנו מאמינים שהדבר נובע ממקרים מזדמנים של קוהרנטיות בין הגלים הקצרים המוקדמים הללו, שניתן להסביר באמצעות תורת השדות הקוונטיים, התיאוריה החזקה ביותר שיש לנו כדי לתאר תופעות יומיומיות כמו פוטונים או אלקטרונים. בעוד שגלים קצרים בודדים יהיו חסרי כוח יחסית, לקבוצות קוהרנטיות תהיה הכוח לעצב מחדש גלים גדולים בהרבה מעצמן. זהו מקרה נדיר שבו נראה שתיאוריה של משהו בקנה מידה קיצוני אחד מסביר משהו בקצה הנגדי של הסקאלה".
השלכות על PBH כחומר אפל
אם, כפי שמציעים כריסטיאנו ויוקויאמה, תנודות מוקדמות בקנה מידה קטן ביקום אכן משפיעות על חלק מהתנודות בקנה מידה גדול יותר שאנו רואים ב-CMB, זה עשוי לשנות את ההסבר הסטנדרטי של מבנים גסים ביקום. אבל גם, בהינתן שאנו יכולים להשתמש במדידות של אורכי גל ב-CMB כדי להגביל ביעילות את היקף אורכי הגל התואמים ביקום המוקדם, זה בהכרח מגביל כל תופעה אחרת שעלולה להסתמך על אורכי גל קצרים וחזקים יותר אלה. וכאן חוזרים ה-PBH.
"הדעה הרווחת היא שקריסתם של אורכי גל קצרים אך חזקים ביקום המוקדם היא שיוצרת חורים שחורים ראשוניים", אמר קריסטיאנו. "המחקר שלנו מצביע על כך שצריכות להיות הרבה פחות PBHs ממה שהיה צריך אם הם אכן מועמדים חזקים לחומר אפל או לאירועי גלי כבידה."
תצפיות מתמשכות ותובנות עתידיות
בזמן כתיבת שורות אלה, מצפה הכוכבים של גלי הכבידה בעולם, LIGO בארה"ב, בתולה באיטליה ו-KAGRA ביפן, נמצאים בעיצומה של משימת תצפית שמטרתה לצפות בחורים השחורים הקטנים הראשונים, ככל הנראה PBHs. בכל מקרה, התוצאות צריכות להציע לצוות ראיות מוצקות שיעזרו להם לחדד עוד יותר את התיאוריה שלהם.
