원시 블랙홀이 암흑물질로 의심된다는 점에 있어서 그들의 변명은 곧 무너질 수도 있다. 우주가 탄생하고 몇 초 후에 형성된 작은 블랙홀이 예상보다 오래 지속될 수 있어 원시 블랙홀이 우주에서 가장 신비한 물질인 암흑물질의 원인일 수 있다는 새로운 의혹이 제기되고 있습니다.
암흑물질은 현재 물리학에서 가장 시급한 문제 중 하나입니다. 암흑물질은 우주 물질의 약 85%를 차지하지만 빛과 상호작용하지 않기 때문에 우리 눈에 보이지 않는 상태로 남아 있기 때문이다.
별, 행성, 우리 몸 등 우리가 볼 수 있는 '보통' 물체를 구성하는 원자를 구성하는 입자는 빛과 분명히 상호작용하기 때문에 표준 입자 모델 밖에서 암흑 물질 입자에 대한 연구가 촉발되었습니다. 물리학. 많은 과학자들은 그 답이 여전히 표준 모델에 있다고 믿고 있습니다. 그러나 우주 물체의 더 작은 사촌을 보면 우리는 보통 그것들을 극도로 거대하고 심지어 괴물 같은 블랙홀로 봅니다.
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막스 플랑크 연구소 과학자 발렌틴 토스 그리고 안나 페르난데스 알렉산더 최근 리스본 대학의 두 연구자가 이러한 연구에 참여했습니다. 그들은 빅뱅 직후인 138억년 전에 생겨났고 양성자보다 크지 않은 작은 블랙홀이 새로운 물리학이 필요하지 않은 채 암흑 물질 용의자로 합쳐졌을 수 있다는 가설을 세웠습니다.
블랙홀이 어떻게 “증발”했는지에 대한 최근 생각의 변화로 인해 암흑 물질이 의심되는 원시 블랙홀의 생존 가능성에 대한 재평가가 이루어졌을 뿐만 아니라, 암흑 물질 입자에 대한 탐색이 계속해서 대부분 공백으로 이어짐에 따라 더 많은 연구자들이 원시 블랙홀 암흑 물질 이론을 더욱 진지하게 바라보고 있습니다.
원시 블랙홀이란 무엇입니까?
“이름에서 알 수 있듯이 원시 블랙홀은 우주가 시작될 때 형성된 일종의 블랙홀입니다.”라고 Thos는 Space.com에 말했습니다. “실제로는 우주의 1초도 안 되는 순간에 말이죠.”
그는 은하계 초은하단부터 내부 은하계까지 우리가 우주에서 관찰하는 모든 구조는 우주가 시작될 때 존재했던 공간의 약간의 과잉 밀도에 의해 형성된다고 설명했습니다. 초기 우주가 이러한 특징을 만든 것보다 훨씬 더 강한 밀도 변동을 경험하고 이러한 변동이 실제로 은하가 형성되기 전에 붕괴했다면, 그러한 극도로 밀도가 높은 지점은 원시 블랙홀을 자극했을 수 있습니다.
이 붕괴가 발생한 시기와 붕괴의 크기에 따라 원시 블랙홀의 질량은 매우 다를 것이라고 Thos는 덧붙였습니다. 토스와 페르난데스-알렉산더가 암흑 물질의 후보로 간주한 원시 블랙홀의 질량은 정확히 몇 톤에서 1,000톤 사이일 것입니다. 이는 행성의 질량보다 적고 작은 질량의 범주에 속합니다. 소행성.
지금까지 과학자들이 발견한 가장 작은 블랙홀인 항성 질량 블랙홀은 태양 질량의 3~50배에 해당하는 질량을 가지고 있다는 점을 감안할 때, 그 질량 자체는 10의 27승(22 다음 26)의 2.2배입니다. ). (0)톤 – 이 원시 블랙홀은 믿을 수 없을 정도로 작습니다.
페르난데스-알렉산더(Fernandez-Alexander)에 따르면 거대한 별의 붕괴나 상대적으로 작은 블랙홀의 합병으로 형성된 더 큰 블랙홀과 마찬가지로 원시 블랙홀은 사건의 지평선이라고 불리는 빛을 가두는 외부 경계를 가질 것입니다. 이 지평선의 직경은 블랙홀의 질량에 의해 결정되는데, 이는 그러한 경우 사건의 지평선이 엄청나게 작다는 것을 의미합니다. Fernandez-Alexander는 “양성자의 반경보다 작습니다.”라고 말했습니다.
모든 블랙홀은 1974년 스티븐 호킹(Stephen Hawking)이 처음으로 가정하고 나중에 “호킹 복사(Hawking Radiation)”라고 부르는 일종의 열 복사를 “누출”하는 것으로 생각되기 때문에 작은 원시 블랙홀은 이전에 암흑 물질 후보에서 제외되었습니다.
블랙홀이 작을수록 호킹 복사가 더 빨리 빠져나갈 수 있으므로 더 빨리 증발해야 합니다. 이는 원시 블랙홀이 존재했다면 오늘날 가장 작은 예는 존재하지 않아야 하지만 암흑물질은 분명히 존재한다는 것을 의미합니다.
Thos는 “Anna와 내가 지금 연구하고 있는 질량을 가진 원시 블랙홀은 이 시점에 우주에서 완전히 증발한 것으로 가정했기 때문에 이전에는 가능성이 없는 것으로 간주되었습니다.”라고 말했습니다.
그러나 Thos 및 Fernandez-Alexander와 협력한 뮌헨 대학교의 이론 물리학자인 György Dvali의 최근 연구에서는 증발 과정이 어느 시점에서 중단된다는 점을 시사했습니다. 이는 과학자들이 고려하는 질량을 가진 원시 블랙홀이 준안정 상태에 도달할 수 있음을 의미합니다.
페르난데스-알렉산더는 “호킹 복사를 방출해 질량을 줄이려면 블랙홀이 자신의 정보나 다른 정보를 다시 써야 한다. 그리고 이 다시 쓰는 과정에는 시간이 걸린다”고 설명했다. “이제 기억이 다른 것으로 이동해야 하고 이로 인해 전반적인 증발 과정이 느려지므로 이를 '기억 부담'이라고 합니다. 일종의 안정화입니다.”
이 “구조 메커니즘”은 원시 블랙홀이 암흑 물질의 잠재적 후보로 다시 돌아옴을 의미합니다!
암흑 물질에 대한 데드 링거?
그러나 오늘날 우주에 원시 블랙홀이 존재한다는 사실이 바로 그들이 암흑 물질 용의자로 간주되어야 한다는 것을 의미하지는 않습니다. 사실, 이 작은 가상의 블랙홀을 우주의 신비한 물질 함량과 연결시키는 다른 이유가 있습니다.
아마도 가장 분명한 연관성은 암흑 물질이 빛과 상호 작용하지 않는다는 것입니다. 암흑 물질은 빛을 방출하거나 반사하지 않으며, 모든 블랙홀과 경계를 이루는 사건의 지평선은 교차하는 데 필요한 탈출 속도가 빛의 속도를 초과하는 지점을 표시합니다. 이는 원시 블랙홀이 모든 입사광을 “가두어” 상호 작용이 명백히 부족하다는 것을 의미합니다.
“충분히 가볍다면 행성 질량 주변 어딘가에서 원시 블랙홀은 우리가 관심을 갖는 모든 목적에 대해 암흑 물질 입자처럼 행동합니다.”라고 Thos는 말했습니다. “암흑물질은 표준 모델에서 '충돌이 없다'. 그래서 암흑물질 입자들은 우주에 영향을 미칠 정도로 서로 상호작용하지 않는다.”
그는 원시 블랙홀이 행성 질량보다 가볍다면 우주 시간 규모에서도 너무 작아서 거의 충돌하지 않을 것이라고 덧붙였습니다. 이러한 원시 블랙홀은 결합하여 빠르게 회전하는 은하가 날아가는 것을 방지하는 중력 영향을 제공하는 것과 같이 현재 암흑 물질에 기인하는 중력 효과를 생성할 수 있습니다.
그러나 암흑물질의 영향을 설명하기 위해 원시 블랙홀이 뭉쳐야 한다면, 이 블랙홀들이 모여서 합쳐져 더 큰 블랙홀을 형성하는 것을 어떻게 막을 수 있을까요? 작은 블랙홀 무리가 결국에는 초대질량 블랙홀이 되지 않을까요? 이에 대해 조사한 결과 대답은 간단하게 “아니요”라고 Thos는 말했습니다.
“덩어리를 고려하더라도 합병 시간 규모가 너무 길어 우주 전체 수명 동안 매우 거대한 블랙홀로만 합쳐질 것입니다.”라고 그는 계속했습니다.
Thos는 암흑 물질에 대한 설명으로 원시 블랙홀을 사용하는 것의 장점은 퍼즐을 설명하기 위해 축과 같은 가상 입자를 제안하는 것과 달리 원시 블랙홀에는 입자 물리학의 표준 모델의 확장이 필요하지 않다는 점이라고 덧붙였습니다. 우주에 대한 가장 좋은 설명은 아원자 규모에 있습니다.
그러나 원시 블랙홀이 실제로 이러한 현상을 설명한다면 암흑물질로 확인하는 것은 매우 어려울 것입니다. 다시 말하지만, 빛을 가두는 특성은 사실상 눈에 보이지 않는다는 것을 의미합니다. 게다가, 이렇게 작은 크기에서는 항성이나 초거대형 형제처럼 엄청난 중력 효과를 갖지 않습니다.
그럼에도 불구하고, 원시 블랙홀 집단이 발견되었다면, 작은 블랙홀 다수와 하나의 큰 블랙홀 사이의 차이를 구분할 실제 방법은 없습니다.
이러한 어려움에도 불구하고 Thos와 Fernandez-Alexander는 적어도 이론적으로는 원시 블랙홀의 끝 부분에 머물려고 합니다. 암흑 물질 후보가 계속 등장하지 않는다면 아마도 더 많은 물리학자들이 입자 물리학과 우주론 사이의 은유적 울타리를 살펴보기 시작하도록 유도하는 것이 답일 것입니다.
페르난데스-알렉산더는 “원시 블랙홀이 암흑물질 후보에서 제외됐다고 말할 수는 없지만 한동안 무시됐다”고 말했다. “이제 실제로 입자 암흑 물질을 탐지할 수 없다는 사실을 고려하면 이 옵션을 고려하는 것이 점점 더 적절해지고 있다고 생각합니다.”
