Univerzum: ötdimenziós objektumok lehetnek az ősi fekete lyukak

Ha léteznek az ősi fekete lyukak, akkor azok akár összeomló kozmikus húrokból keletkezett ötdimenziós objektumok is lehetnek – erre a következtetésre jutott egy kutatócsoport a rangos Physical Review D. szakfolyóiratban szeptember 28-án közzétett tanulmányában. A korai univerzum egyik legnagyobb rejtélye, hogy hogyan keletkezhettek a legősibb fekete lyukak már nem sokkal a világegyetem megszületése, az ősrobbanás után, hiszen feltételezett eredetük csak nehezen lenne megmagyarázható a fekete lyukak keletkezésére vonatkozó jelenlegi ismereteinkkel. Az ősi fekete lyukak keletkezésével kapcsolatos új hipotézis az úgynevezett sötét dimenzió elképzelésén és a húrelméleten alapul.

Fekete lyuk művészi ábrája Forrás: Scientific American

Penzias és Wilson felfedezése Nobel-díjat ért   Fotó: Nokia Bell Labs

Eddig még nem sikerült megalkotni az átfogó elméletet azokra rendszerekre, amelyekben egyszerre kell figyelembe venni a gravitációt és a kvantumállapotot, azaz nincs koherens kvantumgravitációs elméletünk, éppen ezért az univerzum legkorábbi periódusának története a fizika egyik legnagyobb megoldatlan problémája.

Ősi fekete lyukak és a rejtélyes sötét dimenzió

Az asztrofizikusok többségi álláspontja szerint az ősrobbanást követő pillanatokban, a világegyetem megszületésének szélsőséges körülményei között fekete lyukak is keletkezhettek. 

Bár ezeket az objektumokat eddig még nem sikerült megfigyelni, a létezésük igen izgalmas kérdés, amelyről heves szakmai vita folyik az elméleti fizikusok között – írja az Ifl Science tudományos hírportál. 

Ősi, primordiális fekete lyukak művészi ábrája Fotó: NASA/Ifl Science

A most publikált új elmélet az ősi fekete lyukakat az általunk tapasztalt dimenziókon túlra, az úgynevezett „sötét dimenzióba” helyezi át. A publikációt jegyző szaktudósok szerint a sötét dimenzió magyarázatot nyújthatna a titokzatos sötét energiára is, az univerzumnak arra a hipotetikus összetevőjére, ami a világegyetem gyorsuló tágulásáért felel.

A sötét anyag és sötét energia eloszlása az univerzumban   Fotó: TrendinTech

A sötét energia a kozmológiában az a feltételezett energiaforma, ami kitölti az egész univerzumot és erős antigravitációs hatást, azaz negatív nyomást fejt ki. Albert Einstein általános relativitáselmélete szerint a negatív nyomás nagy távolságokon semlegesíti a gravitációs vonzást. A sötét energia pillanatnyilag a legelfogadottabb magyarázat arra az 1990-es években felfedezett és megfigyelésekkel igazolt jelenségre, miszerint az univerzum gyorsulva tágul.

A többi extra dimenzióval ellentétben – amelyek olyan parányiak, hogy a jelenlegi technológiánkkal még csak nem is vizsgálhatjuk ezeket – a sötét dimenzió viszont már a mikronos tartományba esik. A húrelmélet értelmében minden részecske rezgő energiahúrokból épül fel.

A korai univerzum művészi ábrája  Fotó: NASA/ESA

A sötét dimenzió hipotézise alapján a vákuumbeli húrok annihilációja a sötét energiával egyező energiát szabadítana fel, amennyiben létezne egy mikronos méretű dimenzió, amelyből ez az energia kiszivároghatna.

Az annihiláció az az esemény, amikor egy elemi részecske az antirészecske-párjával találkozik és mindkettő megsemmisül, miközben a tömegüknek megfelelő energia fotonok formájában távozik.

A sötét dimenzió mikronos nagyságrendjének megértését jól szemlélteti a következő hasonlat: egy utcai elektromos kábel távolról nézve egy vonalnak látszik, azaz  virtuálisan úgy tűnik, mintha csak egyetlen dimenziója lenne. Közelről megvizsgálva azonban már jól kitűnik a hengeres formája.

      Einstein általános relativitáselmélete szerint a negatív nyomás nagy távolságokon semlegesíti a gravitációs vonzást                       Fotó: Getty Images

Ehhez hasonlóan csak akkor láthatjuk a lehetséges plusz dimenzió létezését is – bár az ezt célzó kutatás jelenleg még nagyon a kezdeti állapotában van – ha sikerül alaposan ráközelítenünk erre az aprócska és különleges világra. De hogyan jön a sötét dimenzió az ősi fekete lyukak megoldatlan problematikájához?

A Roman űrteleszkóp segítségével talán megoldhatóvá válik a nagy rejtéy

A korai univerzum ősi fekete lyukai nem lehetnek „hagyományos” eredetűek, vagyis a nagy tömegű csillagok gravitációs kollapszusa, összeomlása révén keletkező fekete lyukak, ezt ugyanis az újszülött univerzum életkora és az általános csillagfejlődésnek az a hosszú időbeli intervalluma, ami elvezet a nagy tömegű csillag élete végén bekövetkező gravitációs összeomlásához, egyszerűen kizárja. 

Szupernóva-robbanás után a gravitációs kollapszus fekete lyukat hozhat létre   Fotó: ESO/L. Calçada Forrás: Ilf Science

Az ősi fekete lyukak eredete tehát nem vezethető vissza a csillagok összeomlására, ami viszont elméletben lehetővé teszi, hogy sokkal kisebb tömegűek legyenek az eddig ismert legkisebb tömegű fekete lyukaknál is, amiket eddig sikerült megfigyelni az univerzumban. 

A tanulmányt jegyző Luis Anchordoqui, a Lehman College kutató fizikusa és munkatársai egy olyan forgatókönyvet vizsgáltak, amelyben az univerzum egy sötét dimenzióval is rendelkezik, továbbá modellezték, hogy mit jelentene ez a dimenzió az ősi fekete lyukak szempontjából. 

A korai univerzum rejtélyes világában sok még a megválaszolatlan kérdésFotó: NASA

A tudóscsoport szerint ez azt valószínűsítheti, hogy a korai ősi fekete lyukak nem csupán az einsteini négy téridő-dimenzióban létezhetnek, hanem akár erre az ötödik dimenzióra is kiterjedhet a létük. 

Különösen igaz ez abban az esetben, ha ezek az egészen korai fekete lyukak egy kozmikus húr – egy másik hipotetikus objektum, a téridő szövetében lévő hiba – összeomlása révén keletkeztek; ekkor ugyanis kellően nagy tömegűek lennének ahhoz, hogy egészen napjainkig fennmaradjanak. 

A fekete lyukak az anyag és a téridő elfajult formái   Fotó: Wikimedia Commons

A kutatócsoport szerint e fekete lyukak létezését valószínűsítheti, hogy a KM3NeT detektor nemrégiben egy nagy energiájú neutrínót észlelt. 

Ezt az eseményt, illetve megfigyelést korábban már összefüggésbe hozták az egyelőre még hipotetikus ősi fekete lyukakkal. 

Noha egyelőre még nincs tapasztalati bizonyíték e korai fekete lyukak létezésére, de hamarosan az asztrofizikusok rendelkezésre áll egy olyan műszer, melynek segítségével néhány ilyen objektum azonosíthatóvá válik.

A Roman űrteleszkóp az univerzum több titkára is választ találhat   Fotó: NASA/ESA

 Az augusztus végén felbocsátott Nancy Grace Roman űrteleszkóp a beüzemelése után többek között azokat a csillagrendszerükből kiszakadt égitesteket keresi majd, amelyek a háttérben lévő fényforrások előtt elhaladva finom gravitációs lencsehatást idéznek elő. Ezzel a mikrolencse-hatáson alapuló módszerrel a Roman pedig akár  fekete lyukakat is észlelhet. 

Egy olyan fekete lyuk, amely túl kicsi ahhoz, hogy szupernóva-robbanás révén jöjjön létre, cáfolhatatlan bizonyítékul szolgálna arra, hogy ősi (primordiális) eredetű. Hogy léteznek-e korai fekete lyukak a jelenleg vizsgálhatónál több dimenzióban is, az egyelőre még megválaszolandó kérdés marad.

A tanulmány teljes terjedelmében angol nyelven itt olvasható el.

A Physical Review D. szakfolyóiratban szeptember 28-án közzétett tanulmányában:

• egy tudóscsoport új hipotézist állított fel a korai univerzum vélelmezett fekete lyukainak eredetére,
• mivel ezek az objektumok nem a hagyományos modell szerint keletkezhettek,
• a kutatók szerint eredetük a téridő szövetében lévő hibára, a kozmikus húrok összeomlására vezethető vissza,
• ami elméletben azt is lehetővé teszi, hogy létük kiterjedjen az ötödik, úgynevezett sötét dimenzióra is.