Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

In de vroegste momenten van ons universum, een fractie van een seconde na het begin, onderging de ruimte zelf een periode van onvoorstelbare expansie die kosmische inflatie wordt genoemd. Deze snelle rekking maakte het kosmos glad en plantte de zaden voor alles wat we vandaag de dag zien, van sterrenstelsels tot sterren. De theorie van inflatie suggereert echter dat het universum onder specifieke, zeldzame omstandigheden kleine, dichte klonten materie had kunnen produceren die onmiddellijk inklapten tot zwarte gaten. Dit worden oer-zwarte gaten (primordial black holes) genoemd. In tegen tegenstelling tot de zwarte gaten die gevormd worden door stervende sterren, zouden deze geboren zijn uit de ruwe energie van het vroege universum. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd of deze objecten bestaan en of ze de onzichtbare "donkere materie" zouden kunnen vormen die sterrenstelsels bij elkaar houdt. De uitdaging is geweest om een fysiek mechanisme te vinden dat genoeg van deze zwarte gaten creëert zonder de regels van ons huidige begrip van de natuurkunde te schenden.

Een team onderzoekers van de University of Burdwer bij de University of Burdwan in India heeft een frisse blik geworpen op dit probleem door gebruik te maken van een specifiek kader uit de snaartheorie, een leidende kandidaat voor een theorie van alles. Ze richtten zich op een wiskundig landschap genaamd het "inflaton-potentiaal", dat het energieveld beschrijft dat verantwoordelijk is voor de initiële expansie van het universum. In hun model vertrokken ze met een versie van dit veld die het gladde, grootschalige structuur van het universum dat we vandaag de dag observeren, succesvol verklaart. Aan dit gevestigde model voegden ze een zeer kleine, gelokaliseerde verstoring toe. Stel je voor dat de gladde helling van een heuvel plotseling een piepklein, zacht bultje heeft. In de taal van de onderzoekers werd dit bultje gecreëerd door een van de fundamentele geometrische vormen die de verborgen dimensies van de snaartheorie definiëren, licht te vervormen. Deze kleine verandering was niet slechts een willekeurige aanpassing; het was ontworpen om te testen hoe het universum zich gedraagt wanneer de gladde expansie van de inflatie een tijdelijke, gelokaliseerde vertraging ervaart.

Wanneer het veld dat de inflatie aandrijft over deze bult rolt, versnelt het niet of stopt het niet volledig; in plaats daarvan vertraagt het aanzienlijk meer dan normaal. De onderzoekers noemen dit een "ultra-slow-roll" fase. Tijdens deze korte pauze worden de kwantumfluctuaties in het universum, die normaal gesproken minuscuul en onschadelijk zijn, dramatisch versterkt. Denk aan een momentane pauze in een stromende rivier die een kleine rimpeling laat uitgroeien tot een enorme golf. In hun simulaties zorgde deze versterking ervoor dat de dichtheid van materie in bepaalde regio's naar een niveau steeg dat veel hoger lag dan het gemiddelde. Wanneer het universum vervolgens verder expandeerde en deze dichte regio's uiteindelijk weer de waarneembare horizon binnenkwamen, werd de zwaartekracht binnen hen zo sterk dat ze onmiddellijk inklapten tot zwarte gaten.

De studie berekende de eigenschappen van deze hypothetische zwarte gaten met grote precisie. Ze vonden dat het proces zwarte gaten zou produceren met een massa die ongeveer gelijk is aan die van de Aarde of Jupiter, een omvang die veel kleiner is dan de zwarte gaten gevormd door sterren. Deze objecten zouden in astronomische termen ongelooflijk licht zijn, maar toch massief genoeg om tot de huidige dag te overleven. De onderzoekers bepaalden dat deze zwarte gaten een bijna onbevattelijke hoeveelheid tijd nodig zouden hebben om te verdampen, veel langer dan de huidige leeftijd van het universum. Dit betekent dat als ze in de aantallen werden gecreëerd die hun model suggereert, ze vandaag de dag nog steeds aanwezig zouden zijn, en potentieel zouden bijdragen aan de donkere materie die het heelal doordringt.

De existentie van deze objecten is echter niet zonder beperkingen. Het team controleerde hun resultaten tegen reële observaties, waarbij ze specifiek keken naar gegevens van microlensing-surveys. Deze surveys zoeken naar de tijdelijke verheldering van verre sterren veroorzaakt door de zwaartekracht van passerende objecten. De onderzoekers vonden dat voor hun model consistent te zijn met wat we in de hemel zien, de dichtheid van de oer-fluctuaties onder een specifieke drempelwaarde moet blijven. Als de fluctuaties sterker waren geweest, zou de resulterende overvloed aan zwarte gaten te hoog zijn, wat in strijd zou zijn met het gebrek aan waargenomen microlensing-gebeurtenissen. Hun berekeningen suggereren dat hoewel deze zwarte gaten zouden kunnen bestaan, ze slechts een klein deel van de totale donkere materie zouden uitmaken, ongeveer 0,12 procent, in plaats van de enige verklaring voor deze te zijn.

Buiten de zwarte gaten zelf wijst de studie op een potentiële manier om deze ideeën in de toekomst te testen. Het gewelddadige proces van het creëren van deze zwarte gaten zou ook rimpelingen in de ruimtetijd genereren, bekend als zwaartekrachtgolven. De onderzoekers merkten op dat de specifieke frequentie van deze golven binnen het gevoeligheidsbereik valt van de Square Kilometre Array, een massaal radiotelescoopproject dat momenteel in ontwikkeling is. Dit suggereert dat toekomstige observaties ofwel deze golven kunnen detecteren, wat sterk bewijs zou leveren voor het bestaan van deze oer-zwarte gaten, of dit specifieke mechanisme geheel kunnen uitsluiten. Het werk biedt een concrete weg vooruit, waarbij de zoektocht naar deze ongrijpbare objecten wordt verplaatst van pure theorie naar het domein van de waarneembare wetenschap.