암흑물질: 원시 블랙홀이 오랜 미스터리를 어떻게 설명할 수 있는가

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약 50년 동안 과학계는 큰 문제와 씨름해 왔습니다. 바로 우주에 눈에 보이는 물질이 충분하지 않다는 것입니다.

우리가 볼 수 있는 모든 물질(별, 행성, 우주 먼지 및 그 사이의 모든 것)은 우주가 왜 그런 식으로 행동하는지 설명할 수 없으며, 연구자의 관찰이 가능하려면 우리 주변에 5배 더 많은 물질이 있어야 합니다. 감각. NASA에 따르면. 과학자들은 이 물질을 암흑물질이라고 부른다. 왜냐하면 이 물질은 빛과 상호작용하지 않고 눈에 보이지 않기 때문이다.

1970년대 미국의 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)과… 켄트 포드(Kent Ford)는 나선 은하의 가장자리를 공전하는 별을 관찰하여 암흑 물질의 존재를 발견했습니다. 그들은 이 별들이 은하의 눈에 보이는 물질과 중력에 의해 서로 붙잡혀 있기에는 너무 빠르게 움직이고 있으며 대신에 날아가야 한다고 지적했습니다. 유일한 설명은 은하계를 하나로 묶어주는 엄청난 양의 보이지 않는 물질이 있다는 것이었습니다.

“나선은하에서 보는 것” 로빈이 말했다. 당시에는 “그건 당신이 얻는 것이 아닙니다.” 그녀의 연구는 1930년대 스위스 천문학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)가 공식화한 가설에 기초하여 파악하기 어려운 물질에 대한 탐색을 시작했습니다.

이후 과학자들은 암흑물질을 직접 관찰하고 심지어 구축하기까지 노력해 왔다. 훌륭한 가전제품 그것을 발견하기 위해, 그러나 지금까지 우리는 운이 없었습니다.

영국의 유명한 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)은 연구 초기에 빅뱅 동안 형성된 블랙홀(그의 연구의 주요 주제)에 암흑물질이 숨어 있을 수 있다는 가설을 세웠습니다.

이제 MIT 연구원들의 새로운 연구는 원시 블랙홀이 무엇으로 구성되어 있는지 밝혀내고 잠재적으로 그 과정에서 완전히 새로운 유형의 이국적인 블랙홀을 발견하면서 이론을 다시 주목받게 했습니다.

이번 연구의 저자 중 한 명인 David Kaiser는 “그런 면에서 정말 놀라운 일이었습니다.”라고 말했습니다.

카이저는 “우리는 블랙홀에 관한 스티븐 호킹의 유명한 계산, 특히 블랙홀이 방출하는 방사선에 대한 그의 중요한 결과를 활용하고 있었습니다.”라고 말했습니다. “이 이국적인 블랙홀은 암흑 물질 문제를 해결하려는 시도에서 발생합니다. 그들은 암흑 물질 설명의 부산물입니다.”

과학자들은 알려지지 않은 입자부터 추가 차원에 이르기까지 암흑 물질이 무엇인지에 대해 많은 추측을 해왔습니다. 그러나 블랙홀에 관한 호킹의 이론은 최근에야 현실화됐다.

“10년 전까지만 해도 사람들은 이 문제를 심각하게 받아들이지 않았습니다.”라고 공동 저자이자 MIT 대학원생인 Elba Alonso Monsalve가 말했습니다. “이것은 한때 블랙홀이 정말 믿기지 않는 것처럼 보였기 때문입니다. 1900년대 초에 사람들은 그것이 단지 물리적인 사실이 아니라 단지 재미있는 수학적 사실이라고 생각했습니다.”

이제 우리는 거의 모든 은하계의 중심에 블랙홀이 있다는 것을 알고 있습니다. 아인슈타인 연구자들이 발견했습니다. 중력파 2015년 블랙홀 충돌로 생성된 획기적인 발견인 블랙홀은 어디에나 존재한다는 사실을 보여주었습니다.

Alonso Monsalve는 “사실 우주는 블랙홀로 가득 차 있습니다.”라고 말했습니다. “그러나 사람들이 찾을 것으로 예상되는 모든 곳을 찾아봐도 암흑물질 입자는 발견되지 않았습니다. 그렇다고 해서 암흑물질이 입자가 아니거나, 확실히 블랙홀의 조합일 수도 있다는 뜻은 아닙니다. 그러나 이제 “블랙홀은 암흑 물질의 후보로 심각하게 받아들여지고 있습니다.”

마지막 현대 연구 호킹의 가설은 사실로 확인됐지만 알론소 몬살비(Alonso Monsalvi)와 MIT 게름스하우젠 연구소(Germshausen Institute)의 물리학 교수이자 과학사 교수인 카이저(Kaiser)의 연구는 한 단계 더 나아가 원시 블랙홀이 처음 발생했을 때 정확히 무슨 일이 일어났는지 조사한다. 형성되었습니다. .

그만큼 스테디6월 6일자 Physical Review Letters에 게재된 는 이 블랙홀이 빅뱅의 처음 500만분의 1초에 나타났음에 틀림없다고 밝혔습니다. ” Alonso Monsalve는 “모든 것을 구성하는 분자가 형성되었습니다.”라고 말했습니다.

그녀는 우리 일상 세계에서는 기본 입자인 분해된 양성자와 중성자를 찾을 수 없다고 덧붙였습니다. 그러나 우리는 그것이 글루온이라는 다른 입자에 의해 결합된 쿼크라고 하는 더 작은 입자로 구성되어 있기 때문에 그렇지 않다는 것을 알고 있습니다.

Alonso Monsalvi는 “지금 우주에서는 너무 추우므로 쿼크와 글루온만 홀로 존재하는 것을 찾을 수 없습니다.”라고 덧붙였습니다. “그러나 빅뱅 초기, 매우 뜨거웠을 때 그들은 단독으로 자유롭게 발견될 수 있었습니다. 그래서 원시 블랙홀은 자유 쿼크와 글루온을 흡수하여 형성되었습니다.

이러한 구성은 과학자들이 일반적으로 우주에서 관찰하는 별 붕괴의 결과인 천체 물리학적 블랙홀과 근본적으로 다른 결과를 가져올 것입니다. 원시 블랙홀은 또한 평균적으로 소행성의 질량이 원자 하나의 크기로 응축되어 훨씬 더 작을 것입니다. 그러나 이러한 원시 블랙홀 중 상당수가 빅뱅이 시작될 때 증발하지 않고 오늘날까지 살아남는다면, 그들은 암흑 물질의 전부 또는 대부분을 담당할 수 있습니다.

연구에 따르면 원시 블랙홀이 형성되는 동안 일종의 부산물로서 또 다른 유형의 보이지 않는 블랙홀이 형성되었을 것으로 추정된다. 이것은 더 작았을 것입니다. 단지 A 블록이었습니다. 일각수양성자 하나의 크기보다 작은 크기로 응축됩니다.

이 작은 블랙홀은 크기가 작기 때문에 자신이 형성하는 쿼크-글루온 수프의 희귀하고 이상한 특성, 즉 “색전하”를 포착할 수 있었습니다. 이는 쿼크와 ​​글루온에 국한된 전하 상태이며 일반 물체에서는 결코 발견되지 않는다고 Kaiser는 말했습니다.

이 색상 전하는 일반적으로 어떤 종류의 전하도 없는 블랙홀 중에서 독특하게 만듭니다. 알론소 몬살베는 “이 작은 블랙홀도 (원시 블랙홀 형성의) 부산물로 형성됐을 것은 불가피하지만 이미 증발했기 때문에 오늘날 더 이상 존재하지 않을 것”이라고 말했다.

그러나 양성자와 중성자가 형성되는 빅뱅으로부터 아직 1천만분의 1초 정도 떨어져 있었다면 두 종류의 입자 사이의 균형을 변화시켜 관찰 가능한 지문을 남길 수 있었을 것입니다.

“생성된 양성자 수와 중성자 수 사이의 균형은 매우 미묘하며, 당시 우주에 어떤 다른 물질이 존재했는지에 따라 달라집니다. 이러한 유색 전하를 지닌 블랙홀이 여전히 주변에 있었다면, 양성자와 중성자 사이의 균형을 바꿀 수 있습니다.”(어느 쪽이든) 이는 향후 몇 년 내에 이를 측정하기에 충분합니다.”

측정은 지상 망원경이나 궤도 위성의 민감한 장비에서 나올 수 있다고 Kaiser는 말했습니다. 그는 이 이상한 블랙홀의 존재를 확인하는 또 다른 방법이 있을 수 있다고 덧붙였습니다.

“블랙홀 집단의 형성은 주변 시공간으로 엄청난 파문을 보내는 극도로 폭력적인 과정입니다. 이러한 속도는 우주 역사의 과정에서 감소하지만 0이 되지는 않을 것입니다.”라고 Kaiser는 말했습니다. “소질량 블랙홀을 엿볼 수 있습니다. 이는 오늘날의 암흑 물질을 설명할 수 있는 평범한 블랙홀의 예상치 못한 부산물인 이국적인 물질 상태입니다.”

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“이상한 새로운 입자에 대한 아이디어는 여전히 흥미로운 가설로 남아 있습니다”라고 Kaiser는 말했습니다. 중력파를 감지하는 혁신적인 방법을 찾는 다른 유형의 대규모 실험이 있으며 일부는 건설 중입니다. 이것은 실제로 원시 블랙홀의 극도로 폭력적인 형성 과정에서 일부 길 잃은 신호를 포착할 수 있습니다.

Alonso Monsalvi는 원시 블랙홀이 암흑 물질의 작은 부분일 가능성도 있다고 덧붙였습니다. “실제로 동일할 필요는 없습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “일반 물질보다 암흑 물질이 5배 더 많고, 일반 물질은 다양한 입자로 구성되어 있습니다. 그렇다면 암흑 물질은 왜 한 가지 유형의 물체여야 합니까?”

원시 블랙홀은 중력파의 발견으로 다시 인기를 얻었지만 그 형성에 대해서는 알려진 바가 거의 없다고 마이애미 대학 물리학과 조교수인 니코 카펠로티(Nico Capellotti)는 말했습니다. 그는 연구에 참여하지 않았습니다.

“이 연구는 파악하기 어려운 암흑 물질을 설명하는 흥미롭고 실행 가능한 옵션입니다.”라고 Capellotti는 말했습니다.

이번 연구는 흥미롭고 1세대 블랙홀 형성을 위한 새로운 메커니즘을 제시한다고 예일 대학교 천문학 및 물리학과 Joseph S. Fruton 교수와 Sophia S. Fruton 교수인 Priyamvada Natarajan이 말했습니다. 그녀도 연구에 참여하지 않았습니다.

나타라잔은 “오늘날 우리 우주에 있는 모든 수소와 헬륨은 처음 3분 안에 생성됐다. 만약 그때에도 원시 블랙홀이 충분히 존재했다면, 그것들은 그 과정에 영향을 미쳤을 것이고 그러한 효과를 감지할 수 있었을 것”이라고 말했다. .

“이것이 관찰적으로 테스트 가능한 가설이라는 사실이 정말 흥미롭습니다. 이는 자연이 초기부터 여러 경로를 통해 블랙홀을 만들었을 가능성이 있다는 사실을 시사한다는 사실과는 별개입니다.”