Primordial Black Holes are 5D

In de vroegste momenten van het universum, voordat sterren ontbrandden of sterrenstelsels vormden, was de kosmos een kolkende, dichte soep van energie. Natuurkundigen vermoeden al lang dat minuscule fluctuaties in dit oervuur onder hun eigen zwaartekracht zouden kunnen zijn ingestort om de eerste zwarte gaten te vormen, bekend als oer-zwarte gaten. Deze eeuwenoude objecten zijn overtuigende kandidaten voor donkere materie, de onzichtbare substantie die sterrenstelsels bij elkaar houdt. Decennialang hebben wetenschappers deze zwarte gaten gemodelleerd als vierdimensionale entiteiten, bestaand binnen de drie dimensies van de ruimte en de enkele dimensie van de tijd die wij dagelijks ervaren. Echter, een groeiende hoeveelheid theoretisch werk suggereert dat ons universum in werkelijkheid verborgen, extra dimensies zou kunnen bezitten die te klein zijn om te zien, maar groot genoeg om het gedrag van de zwaartekracht te beïnvloeden. Als deze extra dimensies bestaan, zouden de regels die bepalen hoe zwarte gaten ontstaan en evolueren fundamenteel anders kunnen zijn dan wat we verwachten.

Een team van onderzoekers heeft nu de standaardmechanismen voor het creëren van deze oer-zwarte gaten herzien, waarbij zij een specifiek theoretisch kader toepassen dat bekend staat als het Dark Dimension Scenario. Dit kader wordt gemotiveerd door diepe principes van kwantumzwaartekracht en suggereert dat ons universum één extra dimensie bevat die ongeveer de grootte heeft van een micron, wat ongeveer een miljoenste van een meter is. In dit scenario is het Standaardmodel van de deeltjesfysica beperkt tot een dunne laag van de ruimte, terwijl de zwaartekracht in deze extra dimensie kan lekken. De onderzoekers stelden een eenvoudige maar diepzinnige vraag: als deze extra dimensie bestaat, zijn de oer-zwarte gaten die in het vroege universum werden gevormd dan werkelijk vierdimensionale objecten, of worden ze onvermijdelijk vijfdimensionaal?

Het team onderzocht drie bekende manieren waarop het vroege universum de dichte klonten materie had kunnen genereren die nodig zijn voor de vorming van zwarke gaten: snelle expansie bekend als inflatie, plotselinge verschuivingen in de toestand van materie genaamd faseovergangen, en de vorming van kosmische snaren, die dunne, hoogenergetische defecten in de ruimte zijn. Door strikte beperkingen uit de kwantumzwaartekracht toe te passen, vonden de auteurs dat het eerste mechanisme, inflatie, aanzienlijke theoretische hindernissen ondervindt. Belangrijker nog, zij demonstreerden dat voor de andere twee mechanismen — faseovergangen en kosmische snaren — elk zwart gat dat wordt gevormd, effectief een vijfdimensionaal object moet zijn. Deze conclusie blijft overeind, ongeacht hoeveel van deze zwarte gaten er bestaan of wanneer ze zijn gevormd, mits er geen exotische nieuwe fysica op lage energieën ingrijpt.

De onderzoekers volgden de geschiedenis van het universum terug naar een kritiek moment genaamd de "normaliteitstemperatuur", die optrad toen het universum een temperatuur had van ongeveer 1 GeV. Vóór dit punt was de extra dimensie nog niet gestabiliseerd en gedroeg het universum zich als een hoger-dimensionaal systeem. Het team toonde aan dat als zwarte gaten ontstonden uit faseovergangen bij temperaturen hoger dan deze drempelwaarde, ze aanvankelijk als vierdimensionale objecten zouden verschijnen. Echter, vanwege de specifieke grootte van de extra dimensie, zouden deze objecten instabiel zijn. Ze zouden snel een transformatie ondergaan, waarbij ze zich uitstrekken in de extra dimensie en vijfdimensionale zwarte gaten worden. De enige manier voor een zwart gat om vierdimensionaal te blijven, zou zijn dat het vormt bij temperaturen die veel lager liggen dan die verwacht worden voor bekende faseovergangen, een scenario dat de auteurs zeer onwaarschijnlijk achten gezien ons huidige begrip van de deeltjesfysica.

De zaak voor kosmische snaren is nog definitiever. Deze snaren, die kunnen ontstaan wanneer symmetrieën in het vroeze universum breken, kunnen instorten tot zwarte gaten. De onderzoekers berekenden dat als deze snaren ontstonden bij temperaturen boven de normaliteitstemperatuur, de resulterende zwarte gaten geboren zouden worden als vijfdimensionale structuren. Zelfs als ze bij lagere temperaturen ontstonden, maken de beperkingen op de grootte van de extra dimensie en de eigenschappen van de betrokken deeltjes het onmogelijk voor hen om vierdimensionaal te blijven. De studie concludeert dat in een universum met een micron-grote extra dimensie, oer-zwarte gaten niet de vierdimensionale objecten zijn die we ons lang hebben voorgesteld, maar in plaats daarvan vijfdimensionale entiteiten zijn.

Een van de meest intrigerende aspecten van deze bevinding betreft de levensduur van deze vijfdimensionale zwarte gaten. In vijf dimensies verdampen zwarte gaten veel langzamer dan hun vierdimensionale tegenhangers. De auteurs vonden dat zwarte gaten gevormd uit kosmische snaren een levensduur kunnen hebben die vergelijkbaar is met de huidige leeftijd van het universum, die ongeveer 13,8 miljard jaar bedraagt. Deze langdurigheid opent een venster voor observatie. De onderzoekers merkten op dat een recente detectie van een hoogenergetisch neutrino door het KM3NeT-experiment een energieniveau heeft dat intrigerend overeenkomt met de schaal die verwacht wordt voor vijfdimensionale fysica in dit scenario. Als deze oude zwarke gaten vandaag de dag verdampen, zouden zij de bron kunnen zijn van dergelijke hoogenergetische deeltjes. Bovendien biedt het vijfdimensionale karakter van deze zwarte gaten een natuurlijke verklaring voor waarom dit neutrino-event niet werd vergezeld door een hoogenergetisch foton, een kenmerk dat astronomen heeft gepuzzeld. De studie suggereert dat deze vijfdimensionale zwarte gaten een levensvatbare bron kunnen zijn voor dergelijke kosmische signalen, en daarmee een potentiële brug vormen tussen theoretische modellen van extra dimensies en de echte astronomische waarnemingen.

Uiteindelijk hervormt dit werk ons begrip van de meest extreme objecten in het vroege universum. Door de principes van de kwantumzwaartekracht rigoureus toe te passen op de vorming van oer-zwarte gaten, hebben de onderzoekers aangetoond dat, indien een micron-grote extra dimensie bestaat, deze zwarte gaten fundamenteel vijfdimensionaal zijn. Deze conclusie daagt de langgehouden aanname uit dat alle zwarte gaten vierdimensionaal zijn en suggereert dat de verborgen dimensies van het universum een directe rol spelen in de levenscycli van zijn meest mysterieuze bewoners. De bevindingen verfijnen niet alleen een wiskundig model; ze wijzen naar een universum waar de structuur van de ruimte complexer is dan wij waarnemen, en waar de overblijfselen van de Big Bang hun geheimen fluisteren via de hoogenergetische deeltjes die ons vandaag de dag bereiken.