Përveç pikave të tilla si neutrinos steriles, aksionet dhe pjesëza të tjera masive që ndërveprojnë dobët (WIMP), një nga kandidatët kryesorë për materien e errët të ftohtë të universit janë vrimat e zeza primordiale—vrima të zeza të krijuara nga grumbullime jashtëzakonisht të dendura të pjesëzave nënatomike në sekondat e para pas Big Bang-ut.
Vrimëzat e zeza primordiale (PBH) janë klasifikisht stabile, por siç e tregoi Stephen Hawking në vitin 1975, ato mund të avullohen përmes efekteve kuantike, duke rrezatuar pothuajse si një trup i zi. Kështu, ato kanë një jetëgjatësi; ajo është proporcionale me kubin e masës së tyre fillestare. Duke qenë se ka kaluar 13.8 miliardë vjet që nga Big Bang-u, vetëm PBH me një masë fillestare prej një trilioni kilogramësh ose më shumë duhet të kenë mbijetuar deri sot.
Megjithatë, është sugjeruar që jeta e një vrime të zezë mund të jetë shumë më e gjatë se parashikimi i Hawking për shkak të efektit të ngarkesës së memories, ku ngarkesa e informacionit të bartur nga një vrimë e zezë e stabilizon atë kundër avullimit.
Kështu, PBH që mendohej se ishin avulluar deri tani mund të jenë ende të pranishme si materie e errët e ftohtë, më të lehta se rreth 10 milion kilogramë.
Një ekip kërkimor nga Japonia ka propozuar tani të zbulojë këtë materie të mundshme të errët të PBH duke studiuar valët gravitacionale të shkaktuara nga perturbacionet e kthesës primordiale që prodhuan PBH-të. Puna e tyre është botuar në *Physical Review D*.
“Ky kërkim është i pari në botë që propozon se dëshmi për PBH-të që janë materie e errët do të konfirmohet nga vëzhgimet e ardhshme të valëve gravitacionale,” tha Kazunori Kohri nga Observatori Astronomik Kombëtar i Japonisë në Tokio dhe i lidhur me disa organizata kërkimore të tjera fizike në vend.
Pavarësisht nga një numër i madh (deri tani) kërkimesh eksperimentale, fizikantët ende nuk kanë parë shenja të materies së errët në akceleratorët e pjesëzave, në detektorët nëntokësorë dhe nën akull dhe përmes eksplorimeve të hapësirës, drejtpërdrejt ose indirekt.
“Nëse ky situatë vazhdon, skenari i makthit të materies së errët, pra skenari me vetëm materie të errët që ndërvepron gravitationisht, do të bëhet i rëndësishëm,” shkruajnë Kohri dhe bashkëautorit e tij. Materia makroskopike e errët mund të jetë përgjigja, siç është skenari i PBH-së nëse PBH-të kanë mbijetuar deri sot.
Përfundimi i Hawking-ut që vrimat e zeza rrezatojnë do të thotë që ato do të avullohen plotësisht dhe do të pushojnë së ekzistuari. Por llogaritja e Hawking-ut supozonte një vrimë të zezë semiklasike gjatë gjithë jetës së saj, duke injoruar reagimin kuantik të pjesëzave të krijuara mbi vrimën e zezë që avullohet.
Trajtimi i plotë tregon një efekt ngarkese memoriesh, i zbuluar nga fizikania teorike georgiane Gia Dvali në vitin 2018. Duke e parë një vrimë të zezë si një kondensat të gravitonëve, bartësit e supozuar të forcës gravitacionale, shtetet mikro kuantike janë përgjegjës për entropinë e vrimës së zezë.
“Memoria” i referohet informacionit të ruajtur në vrimën e zezë; ky informacion i ruajtur stabilizon vrimën e zezë, duke e bërë atë më të qëndrueshme ndaj rënies. Një gjendje e vrimës së zezë bëhet e stabilizuar nga ngarkesa e memories së saj. Efekti bëhet i rëndësishëm kur një vrimë e zezë ka humbur rreth gjysmën e masës së saj fillestare.
Fuqia e valëve gravitacionale të shkaktuara (aksis vertikal) kundrejt frekuencës së spektrit (aksisi horizontal), për masat e ndryshme fillestare të PBH nga 1 gram deri në 10 miliardë gramë. Figurimet e majtë kundrejt të djathtës i referohen dy zgjedhjeve të ndryshme për spektrat pa dimensionale të perturbacioneve të kthesës primordiale. Krediti: American Physical Society
“Nëse besojmë në Efektin e Ngarkesës së Memories, i cili është një temë e nxehtë në fushën e gravitetit kuantik,” tha Kohri, “mund të ndërtojmë një teori me pasiguri jashtëzakonisht të vogël.”
Ende nuk është plotësisht e qartë se çfarë ndodh me një vrimë të zezë kur ngarkesa e memories bëhet e rëndësishme—ndoshta avullimi i Hawking-ut shtypet, ose ndoshta vrima e zezë shkatërrohet në disa grumbuj dhe valë gravitacionale.
Kohri dhe bashkëautorit e tij u fokusuan në mundësinë e parë. Dvali dhe bashkëpunëtorët e tij argumentuan që shkalla e emisionit të Hawking-ut shtypet nga një fuqi e plotë e entropisë së vrimës së zezë.
Vrimat e zeza kanë një sasi të madhe entropie; një vrimë e zezë Schwarzschild me masën e diellit ka një entropi prej 10^77 në njësitë e konstantës së Boltzmann-it. Krahasuar me këtë, entropia e diellit është 10^58.
Kështu, jeta e një vrime të zezë zgjatet shumë. Kufijtë kozmologjikë vendosin kufij më të ulët dhe më të lartë mbi PBH që janë në lojë: Kohri dhe kolegët e tij kështu përqendrohen në PBH me një masë fillestare më të madhe se 100 kg deri në 10 milion kg.
Një mekanizëm i njohur i prodhimit të PBH është kolapsi gravitacional i grumbujve të hershëm kozmo-logjikë me perturbacione jashtëzakonisht të theksuara të lakimit të hapësirës-kozmike. Sasi të konsiderueshme valësh gravitacionale gjithashtu shkaktohen në këtë periudhë të dominuar nga radiacioni të universit, me një frekuencë tipike në një marrëdhënie një-me-një me masën fillestare të PBH-së.
Duke studiuar pronat vëzhguese të këtyre valëve gravitacionale në universin e sotëm, llogaritje të gjera rezultuan në spektrat e valëve gravitacionale siç do të ekzistonin sot në funksion të frekuencës, dhe gjithashtu raportuan raportin e pritur të sinjal-shumëzuesve për një vit të vëzhgimesh me observatorët e ardhshëm të valëve gravitacionale.
Llogaritjet e tyre të spektrave të valëve gravitacionale të shkaktuara zbulojnë se mjaft të rënda PBH të ngarkuara nga memoria mund të jenë të observable sot sepse ato shkaktojnë valë gravitacionale me frekuenca relativisht të ulëta.
Observatorët e ardhshëm po projektohen me këtë qëllim në mendje, siç është LISA (Laser Interferometer
Space Antenna), DECIGO (Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory) në Japonisë, Big Bang Observatory (BBO) që propozohet nga Agjencia Evropiane e Hapësirës (ESA) për të zëvendësuar LISA-n kur ky të ketë përfunduar ciklin e tij, dhe të tjerë.
Kohri dhe kolegët e tij prodhuan grafika të spektrave të pritur sipas frekuencës së valëve dhe shtrinë ekuacionet e tyre për të parashikuar raportet e pritur të sinjal-shumëzuesve që do të shiheshin në vëzhgimet reale.
Shkencëtarët gjithashtu paraqitën kritere me të cilat astronomët e valëve gravitacionale mund të konfirmojnë ose përjashtojnë skenarin e PBH-së të materies së errët të ngarkuar me memorje. Megjithatë, dinamika jo-linare e materies së errët të ngarkuar me memorje do të përcaktojë formën e detajuar të valëve gravitacionale.
Frekuenca maksimale e valëve të shkaktuara mund të arrijë deri në 30 megaherci, 3,000 herë më e lartë se frekuenca maksimale prej 10 kilohertz që mund të zbulojnë dy LIGO në SHBA. Megjithatë, llogaritjet tregojnë se ka një shenjë infra të kuqe në spektrat që nënkupton frekuenca më të ulëta.
Këto mund të zbulohet nga Cosmic Explorer, një observator valësh gravitacionale i tretë-gjeneratës, i cili do të ketë të njëjtin dizajn në formë “L” si LIGO, por me gishta interferometrash që janë 40 km të gjatë në vend të 4 km të LIGO.
