Waarom zwarte gaten alle donkere materie kunnen vormen?

Donkere materie is het mysterieuze spul waarvan kosmologen denken dat het ons universum vult. Het bewijs voor het bestaan ​​ervan is dat er niet genoeg zichtbare massa is om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Maar aangezien sterrenstelsels duidelijk niet uit elkaar vliegen, moet er iets onzichtbaars zijn, een of andere ontbrekende massa, die de zwaartekracht genereert die ze bij elkaar houdt.

Maar er is een probleem met dit idee. Twee van hen eigenlijk. Ten eerste geven natuurkundigen de beste schatting van de natuurwetten een goede beschrijving van alle deeltjes die ze tot nu toe hebben ontdekt en een paar die ze binnenkort verwachten te ontdekken. Het probleem is dat geen van deze deeltjes de juiste eigenschappen heeft om donkere materie te zijn, dat wil zeggen elektrisch neutraal, langlevend en langzaam bewegend. Maar geen van de bekende of redelijk veronderstelde deeltjes past bij de rekening. Om plaats te maken voor een deeltje van donkere materie, moeten de natuurwetten worden veranderd op een manier waar veel theoretici zich ongemakkelijk bij voelen.

Ten tweede heeft niemand, ondanks tien jaar zoeken naar donkere materie met experimenten die tientallen miljoenen dollars kosten, het spul gezien. De meeste natuurkundigen denken dat deze experimenten niets hebben gevonden: zip, zilch, zero.

Het is moeilijk om aan de conclusie te ontsnappen dat er een andere verklaring voor de ontbrekende massa nodig is.

Voer Paul Frampton van de Universiteit van North Carolina en een paar maatjes in. Framptons suggestie is dat de ontbrekende massa bestaat uit zwarte gaten die te klein zijn om direct te zien, maar te groot om te zijn verdampt als gevolg van Hawking-straling.

Maar dit idee is meer dan nog een wilde gok. Frampton en vrienden hebben een interessant argument op basis van entropie om hun bewering te staven. Het gaat als volgt.

Eerst bepalen ze wat de maximale entropie van het heelal zou kunnen zijn door zich voor te stellen dat het hele zichtbare heelal een gigantisch zwart gat was. Het antwoord blijkt 10^123 te zijn, een heel groot aantal. Dus dat is de bovengrens van wat de entropie kan zijn.

Vervolgens berekenen ze een ondergrens door de entropie in alle bekende zwarte gaten in het heelal bij elkaar op te tellen. Ze werken dit uit door aan te nemen dat er een gigantisch zwart gat in het centrum van elk sterrenstelsel is, een beeld dat steeds vaker wordt aangenomen door astrofysici.

Dat geeft het getal 10^103, vele ordes van grootte lager.

Dit is zeker een grote hoeveelheid entropie, maar Frampton en co zullen waarschijnlijk niet de grootste bijdrage leveren aan ons universum. Elk superzwaar zwart gat is ongeveer zo groot als ons zonnestelsel of kleiner en het is intuïtief onwaarschijnlijk dat in wezen alle entropie zo geconcentreerd is, zegt hij. Dus iets anders moet ergens entropie genereren.

Het kan geen zichtbare materie zijn, aangezien conventionele berekeningen aangeven dat de entropie slechts 10^88 bedraagt. Wat overblijft is de entropie van de ontbrekende donkere massa.

Welk type zwarte gaten zou hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn? Het blijkt dat elk zwart gat groter dan 10^6 zonsmassa's ervoor zou zorgen dat nabije materie erin spiraalt, waardoor de vorming van sterrenstelsels wordt voorkomen. Alles kleiner dan 10^-8 zonsmassa's zou zijn verdampt.

De conclusie is dus dat donkere materie bestaat uit zwarte gaten met een massa tussen 10^6 en 10^-8 zonsmassa's.

Maar er is ook een probleem met dit idee. Hoe hebben deze zwarte gaten zich vroeg in het heelal in zulke grote aantallen kunnen vormen. Iets moet ervoor gezorgd hebben dat materie op deze schaal samenklonterde om de zwarte gaten te vormen. Maar er is niets dat aangeeft hoe dit zou kunnen zijn gebeurd in de huidige inflatietheorie, die beschrijft hoe het vroege heelal groeide.

Dat is eenvoudig op te lossen, zeggen Frampton en co: er moeten twee periodes van inflatie zijn geweest. De eerste leidde tot de grootschalige structuur van het heelal die we zien en die is gemeten door ruimtevaartuigen zoals WMAP. De tweede leidde tot de samenklontering die grote aantallen middelgrote oerzwarte gaten creëerde.

Dat is een verklaring die iets gemakkelijker te verteren is dan een verklaring waarin de wetten van de fysica moeten veranderen om nieuwe donkere materiedeeltjes te creëren. Maar alleen net.

De ideeën van Frampton kunnen echter beter worden getest door te zoeken naar bewijs van deze oer-zwarte gaten, die microlensing-gebeurtenissen zouden moeten veroorzaken: dat wil zeggen dat hun zwaartekracht het licht van de achter hen gelegen sterren zou moeten concentreren, gezien vanaf de aarde.

Dat soort metingen worden steeds eenvoudiger, dus het moet mogelijk zijn om de ideeën van Frampton in de niet al te verre toekomst te accepteren of te verwerpen.

Scheidsrechters:

arxiv.org/abs/1003.3356 : Zwarte gaten vormen alle donkere materie

arxiv.org/abs/1001.2308 : Primordiale zwarte gaten als alle donkere materie

zich verstoppen