Găuri negre cu masă mică ar fi putut lua naștere imediat după Big Bang, în plasma de quarci și gluoni. Aceste găuri negre ar fi putut avea o așa-numită „sarcină de culoare”. Dacă într-adevăr au existat, ar fi putut influența modul în care s-au format primele nuclee din Univers.

Materia întunecată

În Univers pare să existe mai multă materie decât cea pe care o vedem și pe care o cunoaștem, cea descrisă de așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare. Chiar dacă nu o vedem cu telescoapele noastre, am dedus existența acestei forme de materie prin atracția gravitațională pe care o exercită asupra materiei vizibile, precum stele și galaxii.

Nu știm încă din ce este formată – poate noi particule pe care încă nu le-am descoperit sau obiecte și mai exotice. Particule care ar putea reprezenta materia întunecată sunt căutate intens în experimente la acceleratoarele de particule, dar și în laboratoarele subterane; până în prezent însă nu au fost descoperite astfel de noi particule. Materia întunecată ar putea însă să fie formată din altceva: ce anume? O ipoteză este cea a găurilor negre microscopice.

Găuri negre microscopice primordiale

Găurile negre reprezintă un mare mister al fizicii, întrucât teoria care le descrie, relativitatea generală a lui Einstein, nu reușește să ne spună din ce sunt alcătuite; ba mai mult, dă o singularitate (un infinit) în centrul acestora. Totuși, găurile negre există – le observăm atât prin radiația emisă de obiectele care sunt atrase și cad în găurile negre, cât și prin undele gravitaționale emise de găuri negre care intră în coliziune. Acest gen de găuri negre pe care le observăm cu instrumentele noastre au luat naștere în urma morții stelelor cu masă mult mai mare decât cea a Soarelui (nu este încă clar mecanismul care a dat naștere găurilor negre enorme din centrul galaxiilor).

Ar putea însă exista și așa-numite găuri negre microscopice primordiale – care ar fi luat naștere imediat după Big Bang, în urma colapsului gravitațional a unor mase mai mari sau mai mici de materie datorită gravitației extreme. Într-un studiu recent se studiază un caz particular: cel al găurilor negre microscopice cu „sarcină de culoare”.

Găuri negre cu sarcină de culoare

Într-un articol publicat recent în revista Phys. Review Letters se studiază cazul găurilor negre primordiale cu sarcină de culoare. Acestea ar fi luat naștere în primele clipe după Big Bang, când materia exista sub forma așa-numitei plasme de quarci și gluoni.

Quarcii și gluonii sunt particule care interacționează prin așa-numita interacție nucleară puternică; formează de exemplu protonii și neutronii nucleelor atomice. La ora actuală în Univers nu găsim quarci liberi – sunt toți „prizonieri” în particule alcătuite ori din trei quarci, ori dintr-un quark și un antiquark. Imediat după Big Bang însă, când temperatura Universului era extremă și energia particulelor la rândul ei era incredibil de mare, quarcii și gluonii erau liberi.

În acest context, studiul de care vă relatez, și care se bazează pe teoria cromodinamicii cuantice, cea care studiază interacțiunea nucleară puternică, arată că în urma fluctuațiilor de densitate din plasmă s-ar fi putut forma prin colaps gravitațional găuri negre cu sarcină de culoare (cea care descrie quarcii și gluonii – un fel de echivalent al „sarcinii electrice” din interacțiunea electromagnetică a acestor particule) cu masă cam cât a unui rinocer, însă dimensiuni mai mici decât ale unui proton!

Cum să verificăm?

Cum am putea verifica această teorie? La ora actuală este încă greu de imaginat. Dacă astfel de găuri negre cu sarcină de culoare ar fi existat în primele clipe ale Universului, acestea s-ar fi evaporat între timp; evaporarea lor însă ar fi putut avea loc după ce s-au format primele nuclee (adică protonii – nucleele atomilor de hidrogen). Distribuția hidrogenului și poate și a altor nuclee formate imediat după Big Bang ar putea să fi fost influențată de evaporarea găurilor negre cu sarcină de culoare; dacă așa stau lucrurile, în viitor noi studii ar putea să găsească dovezi (sau nu) ale acestor fascinante găuri negre propuse de teoreticieni.

Detalii: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.231402

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro