Găurile negre ale LIGO pot fi materie întunecată

Găurile negre care au produs primele unde gravitaționale detectate ar putea avea origini exotice în universul timpuriu.

Când Observatorul de unde gravitaționale cu interferometru laser avansat, LIGO, a întrezărit undele gravitaționale de la două găuri negre care se fuzioneau, oamenii de știință au fost surprinși de cât de mari erau găurile negre – de aproximativ 30 de ori masa soarelui (SN: 3/5/16, str. 6). Inspirate de această descoperire neobișnuită, două lucrări publicate în Scrisori de revizuire fizică propunem că găurile negre uriașe s-au născut în copilăria universului.

Spre deosebire de găurile negre comune care se formează din stele care se prăbușesc, astfel de găuri negre primordiale s-ar fi putut forma atunci când regiuni dense ale universului foarte timpuriu s-au prăbușit sub propria gravitație, sugerează unele teorii. Dacă ar exista, găurile negre primordiale ar putea rezolva și un alt puzzle: identitatea materiei întunecate, sursa necunoscută de masă din univers care ține împreună galaxiile și grupurile de galaxii. Găurile negre primordiale ar putea constitui masa lipsă a universului, o idee care contrazice teoria mai populară conform căreia materia întunecată este formată din particule nedetectate.

O echipă japoneză de astrofizicieni a raportat pe 2 august că găurile negre ale LIGO ar putea fi primordiale și că, dacă da, ar putea constitui o parte din materia întunecată a universului. Oamenii de știință de la Universitatea Johns Hopkins au raportat pe 19 mai că rata estimată a LIGO de fuziuni ale găurilor negre se potrivește cu cea așteptată de la materia întunecată a găurii negre primordiale.

Masa mai mare decât cea așteptată a găurilor negre din LIGO l-a făcut pe astrofizicianul Simeon Bird și pe colegii de la Universitatea Johns Hopkins să se întrebe: „Doamne, este neașteptat, ce altceva ar putea fi?” spune pasărea. Cercetările anterioare au exclus materia întunecată primordială a găurii negre pentru toate, cu excepția unui interval restrâns de mase. Dar intervalul permis se suprapune cu masele de găuri negre găsite de LIGO.

Bazându-se pe cunoștințele oamenilor de știință despre proprietățile materiei întunecate, Bird și colegii săi au estimat cât de des s-ar aștepta LIGO să vadă fuziunea găurilor negre primordiale, presupunând că acestea ar fi sursa materiei întunecate. Această rată a egalat rata de detectare estimată a LIGO, realizată presupunând că singura fuziune neașteptat de masivă a găurilor negre pe care LIGO a văzut-o până acum nu a fost o întâmplare. Deși ambele estimări au erori mari, acordul lor indică faptul că materia întunecată poate fi compusă din găuri negre primordiale.

De asemenea, echipa japoneză a raportat că LIGO ar fi putut detecta găurile negre primordiale. Dar cercetătorii au descoperit că astfel de găuri negre primordiale ar putea explica doar o mică parte din materia întunecată. Această diferență se rezumă la ipoteze diferite despre modul în care găurile negre primordiale se grupează în perechi înainte de fuzionare.

„Lucrul important este că acest lucru poate fi testat”, spune astrofizicianul Misao Sasaki de la Universitatea Kyoto din Japonia. Mai multe date de la LIGO sau studii ulterioare ale fundalului cosmic cu microunde – lumina rămășiță de după Big Bang – ar putea exclude găurile negre primordiale ca posibilitate.

Pentru a înțelege mai bine găurile negre ale LIGO, „va trebui să facem mai multe detectări”, spune cercetătorul LIGO Chad Hanna de la Penn State University. (LIGO a detectat și o a doua fuziune a găurii negre (SN: 7/9/16, str. 8), dar acele găuri negre erau mai mici, ceea ce indică faptul că s-au format din stele.)

În cele din urmă, semnele subtile ale găurilor negre primordiale pot apărea în datele undelor gravitaționale, spune Bernard Carr de la Universitatea Queen Mary din Londra. Excentricitatea orbitelor găurilor negre una în jurul celeilalte – cât de eliptice sunt căile lor – ar putea indica dacă găurile negre sunt găuri negre primordiale sau standard, spune Carr. „Pentru mintea mea, este puțin mai interesant dacă se dovedesc a fi găuri negre primordiale.”