În primele momente de după Big Bang, Universul era atât de fierbinte și dens încât materia și antimateria se formau și se anihilau continuu. Totuși, cosmosul pe care îl observăm astăzi este alcătuit aproape în întregime din materie. Un nou scenariu teoretic propune o explicație surprinzătoare: găurile negre primordiale de dimensiuni extrem de mici ar fi putut contribui la această asimetrie.
Născute din fluctuații de densitate în Universul foarte timpuriu, acestea s-ar fi evaporat prin radiație Hawking și, în ultimele clipe ale existenței lor, ar fi produs explozii capabile să modifice condițiile din plasma primordială.
Misterul materiei care a supraviețuit antimateriei
Una dintre marile întrebări ale cosmologiei moderne este de ce Universul conține atât de multă materie și atât de puțină antimaterie.
Conform imaginii standard a Universului timpuriu, Big Bang-ul ar fi produs materie și antimaterie în cantități aproape egale. Particulele și antiparticulele se pot anihila reciproc, transformându-se în energie. Dacă balanța inițială ar fi fost perfect echilibrată, aproape toată materia și antimateria s-ar fi anihilat, iar Universul ar fi rămas dominat de radiație.
Dar acest lucru nu s-a întâmplat. A rămas un mic exces de materie, iar acel exces a fost suficient pentru ca, în miliardele de ani care au urmat, să se formeze stelele, galaxiile, planetele și, în cele din urmă, viața. Fizicienii numesc procesul prin care a apărut acest surplus de materie bariogeneză. Originea lui rămâne însă necunoscută.
Noul scenariu, prezentat de Alexandra Klipfel și colaboratorii săi, propune ca acest proces să fi fost influențat de exploziile unor găuri negre primordiale foarte mici. Studiul este încă teoretic și a fost publicat sub forma unui preprint, astfel că mecanismul nu reprezintă o explicație confirmată experimental.
Găuri negre mai mici decât ne-am putea imagina
Atunci când ne gândim la o gaură neagră, imaginea obișnuită este cea a unui obiect format prin colapsul unei stele masive, cu o masă de câteva ori mai mare decât cea a Soarelui. Găurile negre primordiale ar fi însă foarte diferite.
Aceste obiecte ipotetice s-ar fi putut forma direct în Universul timpuriu, atunci când regiuni cu densitate neobișnuit de mare s-au prăbușit gravitațional. Unele modele permit existența unor găuri negre cu mase extrem de mici, inclusiv de ordinul kilogramelor sau al tonelor.
În scenariul analizat de cercetători, asemenea obiecte ar fi existat pentru o perioadă incredibil de scurtă. Unele dintre găurile negre primordiale luate în calcul ar fi avut mase comparabile cu cea a unui automobil mic și ar fi dispărut în primele fracțiuni de secundă ale existenței Universului. Motivul este radiația Hawking.
Stephen Hawking a arătat că, în cadrul unei descrieri cuantice a câmpurilor în apropierea orizontului evenimentelor, găurile negre nu sunt complet negre. Ele pot emite radiație și, prin acest proces, pierd energie și masă.
Cu cât o gaură neagră este mai mică, cu atât temperatura Hawking este mai ridicată și evaporarea este mai rapidă. Spre finalul vieții sale, o astfel de gaură neagră poate pierde energie într-un ritm tot mai accelerat, ajungând la o fază explozivă. Existența efectului Hawking nu a fost însă confirmată direct prin observarea evaporării unei găuri negre astrofizice.
Exploziile care ar fi creat unde de șoc în plasma primordială
Pentru a înțelege mecanismul propus, trebuie să ne întoarcem în epoca în care Universul era umplut de o plasmă extrem de fierbinte, numită plasmă de quarci și gluoni. Protonii și neutronii, așa cum îi cunoaștem astăzi, nu existau încă sub forma lor stabilă. Quarcii și gluonii se aflau într-o stare de materie extrem de energetică.
O gaură neagră primordială care se evapora în această plasmă ar fi injectat particule cu energii foarte mari în mediul înconjurător. Pe măsură ce evaporarea se accelera, energia eliberată ar fi încălzit puternic regiunea din jurul găurii negre.
Modelul cercetătorilor sugerează că această injecție bruscă de energie ar fi produs o undă de șoc relativistă, care s-ar fi propagat prin plasma primordială. În spatele frontului de șoc s-ar fi format o regiune extrem de fierbinte și aflată departe de echilibrul termic.
Acest detaliu este esențial. Într-un Univers aflat perfect în echilibru, procesele care produc materie și antimaterie ar tinde să se compenseze. Pentru a obține un surplus de materie este nevoie de condiții speciale, inclusiv de procese care se desfășoară departe de echilibrul termic și de încălcarea anumitor simetrii fundamentale. Unda de șoc generată de evaporarea unei găuri negre ar putea crea exact un asemenea mediu.
Rolul câmpului Higgs în nașterea excesului de materie
Una dintre cele mai interesante componente ale mecanismului apare atunci când unda de șoc produce o regiune în care temperatura devine suficient de mare pentru a modifica modul în care funcționează mecanismul Higgs.
În condiții obișnuite, particulele elementare dobândesc masă prin interacțiunea cu câmpul Higgs. Însă la temperaturi extrem de ridicate, caracteristice Universului primordial, această stare a câmpului se poate modifica.
Modelul propus sugerează că în interiorul unei regiuni extrem de fierbinți asociate undei de șoc, simetria electroslabă ar putea fi restaurată, iar particulele s-ar comporta diferit față de cele din plasma mai rece din exterior.
Astfel se creează o „graniță” dinamică între două regiuni cu proprietăți fizice diferite. Cercetătorii consideră că această interfață în mișcare ar putea favoriza procese care produc un exces net de număr barionic.
Cu alte cuvinte, explozia unei găuri negre primordiale nu ar fi importantă doar prin energia eliberată, ci prin faptul că ar crea pentru foarte scurt timp condiții fizice neobișnuite în jurul ei. Excesul de materie produs în apropierea frontului de șoc ar putea fi apoi „înghețat” în plasma aflată în expansiune, supraviețuind etapelor ulterioare ale evoluției cosmice.
Ar putea găurile negre primordiale să explice Universul dominat de materie?
Modelul este atractiv deoarece leagă două dintre cele mai interesante probleme ale fizicii moderne: natura găurilor negre primordiale și originea asimetriei dintre materie și antimaterie.
Cercetătorii arată că o populație suficient de numeroasă de găuri negre primordiale care s-ar fi evaporat în perioada potrivită ar fi putut contribui la producerea asimetriei barionice observate astăzi. În scenariul lor, găurile negre ar fi dispărut înainte de nucleosinteza primordială, procesul prin care s-au format primele nuclee atomice.
Mai mult, modelul ar putea avea implicații observabile indirect. Formarea unei populații de găuri negre primordiale ar fi putut genera și unde gravitaționale de frecvență foarte înaltă, ceea ce deschide o posibilitate interesantă pentru viitoarele detectoare capabile să exploreze acest domeniu.
Totuși, este important să nu confundăm un scenariu teoretic promițător cu o descoperire experimentală. Până în prezent nu există o confirmare directă că găurile negre primordiale au existat și nici că exploziile lor au produs excesul de materie din Univers.
În plus, mecanismul analizat presupune existența unor surse suplimentare de încălcare a simetriei CP, provenite din fizică dincolo de Modelul Standard. Autorii arată că un astfel de ingredient ar putea permite reproducerea asimetriei barionice observate, dar natura acestei noi fizici rămâne necunoscută.
Sursa: Science News