Het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) is de thuisbasis van vele interdisciplinaire projecten die profiteren van de synergie van een breed scala aan expertise die beschikbaar is bij het instituut. Een voorbeeld van zo'n project is de studie van zwarte gaten die zich in het vroege heelal hadden kunnen vormen, voordat sterren en sterrenstelsels werden geboren.

Dergelijke oerzwarte gaten (PBH's) zouden de donkere materie geheel of gedeeltelijk kunnen verklaren, verantwoordelijk zijn voor enkele van de waargenomen signalen van zwaartekrachtgolven, en zaad superzware zwarte gaten gevonden in het centrum van onze Melkweg en andere melkwegstelsels. Ze kunnen ook een rol spelen bij de synthese van zware elementen wanneer ze in botsing komen met neutronensterren en deze vernietigen, het vrijgeven van neutronenrijk materiaal. Vooral, is er een opwindende mogelijkheid dat de mysterieuze donkere materie, die verantwoordelijk is voor de meeste materie in het universum, bestaat uit oerzwarte gaten. De Nobelprijs voor natuurkunde 2020 is toegekend aan een theoreticus, Roger Penrose, en twee astronomen, Reinhard Genzel en Andrea Ghez, voor hun ontdekkingen die het bestaan ​​van zwarte gaten bevestigden. Omdat bekend is dat zwarte gaten in de natuur voorkomen, ze vormen een zeer aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie.

De recente vooruitgang in de fundamentele theorie, astrofysica, en astronomische waarnemingen op zoek naar PBH's zijn gedaan door een internationaal team van deeltjesfysici, kosmologen en astronomen, waaronder Kavli IPMU-leden Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada en Volodymyr Takhistov.

Om meer te weten te komen over oerzwarte gaten, het onderzoeksteam keek naar het vroege universum voor aanwijzingen. Het vroege heelal was zo dicht dat elke positieve dichtheidsfluctuatie van meer dan 50 procent een zwart gat zou creëren. Echter, Het is bekend dat kosmologische verstoringen die gezaaide sterrenstelsels hebben veel kleiner zijn. Hoe dan ook, een aantal processen in het vroege heelal zouden de juiste omstandigheden hebben gecreëerd voor de vorming van zwarte gaten.

Een opwindende mogelijkheid is dat oerzwarte gaten zouden kunnen ontstaan ​​uit de "baby-universums" die tijdens inflatie zijn gecreëerd, een periode van snelle expansie waarvan wordt aangenomen dat deze verantwoordelijk is voor het zaaien van de structuren die we vandaag waarnemen, zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Tijdens inflatie, baby-universums kunnen vertakken van ons universum. Een klein baby- (of "dochter") universum zou uiteindelijk instorten, maar de grote hoeveelheid energie die vrijkomt in het kleine volume zorgt ervoor dat er een zwart gat ontstaat.

Een nog vreemder lot wacht op een groter babyuniversum. Als het groter is dan een kritische maat, Einsteins zwaartekrachttheorie stelt het baby-universum in staat om te bestaan ​​in een toestand die voor een waarnemer van binnen en van buiten anders lijkt. Een interne waarnemer ziet het als een uitdijend heelal, terwijl een externe waarnemer (zoals wij) het als een zwart gat ziet. In elk geval, het grote en het kleine baby-universum worden door ons gezien als oerzwarte gaten, die de onderliggende structuur van meerdere universa verbergen achter hun 'gebeurtenishorizon'. De gebeurtenishorizon is een grens waaronder alles, zelfs licht, zit gevangen en kan niet ontsnappen aan het zwarte gat.

In hun krant het team beschreef een nieuw scenario voor PBH-vorming en toonde aan dat de zwarte gaten uit het "multiversum"-scenario kunnen worden gevonden met behulp van de Hyper Suprime-Cam (HSC) van de 8,2 m Subaru-telescoop, een gigantische digitale camera - waarvan Kavli IPMU een cruciale rol heeft gespeeld - in de buurt van de 4, 200 meter top van de berg Mauna Kea in Hawaï. Hun werk is een spannende uitbreiding van de HSC-zoektocht van PBH die Masahiro Takada, een hoofdonderzoeker bij de Kavli IPMU, en zijn team achtervolgen. Het HSC-team heeft onlangs de belangrijkste beperkingen gemeld voor het bestaan ​​van PBH's in Niikura, Takada et. al. ( Natuurastronomie 3, 524-534 (2019))

Waarom was de HSC onmisbaar in dit onderzoek? De HSC heeft de unieke mogelijkheid om elke paar minuten het hele Andromeda-stelsel in beeld te brengen. Als een zwart gat door de zichtlijn naar een van de sterren gaat, de zwaartekracht van het zwarte gat buigt de lichtstralen en zorgt ervoor dat de ster korte tijd helderder lijkt dan voorheen. De duur van het ophelderen van de ster vertelt de astronomen de massa van het zwarte gat. Met HSC-waarnemingen, men kan tegelijkertijd honderd miljoen sterren waarnemen, het werpen van een breed net voor oer-zwarte gaten die mogelijk een van de zichtlijnen overschrijden.

De eerste HSC-waarnemingen hebben al melding gemaakt van een zeer intrigerende kandidaat-gebeurtenis die overeenkomt met een PBH uit het "multiversum, " met een massa van een zwart gat vergelijkbaar met de massa van de maan. Aangemoedigd door dit eerste teken, en geleid door het nieuwe theoretische begrip, het team voert een nieuwe ronde van observaties uit om de zoektocht uit te breiden en een definitieve test te bieden of PBH's uit het multiversumscenario alle donkere materie kunnen verklaren.