science >> Wetenschap >  >> Fysica

Natuurkundigen stellen nieuwe theorieën voor over zwarte gaten uit het zeer vroege heelal

De theorie dat oerzwarte gaten botsen met neutronensterren om zware elementen te creëren, verklaart het ontbreken van neutronensterren in het centrum van het Melkwegstelsel, een al lang bestaand mysterie. Krediet:Universiteit van Californië, Los Angeles

Natuurkundigen van de UCLA hebben nieuwe theorieën voorgesteld over hoe de eerste zwarte gaten in het universum zijn ontstaan ​​en de rol die ze kunnen spelen bij de productie van zware elementen zoals goud, platina en uranium.

Twee artikelen over hun werk werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Een al lang bestaande vraag in de astrofysica is of de allereerste zwarte gaten in het universum minder dan een seconde na de oerknal zijn ontstaan ​​of dat ze pas miljoenen jaren later zijn gevormd tijdens de dood van de vroegste sterren.

Alexander Kusenko, een UCLA hoogleraar natuurkunde, en Eric Cotner, een UCLA-afgestudeerde student, een overtuigend eenvoudige nieuwe theorie ontwikkeld die suggereert dat zwarte gaten heel kort na de oerknal kunnen zijn gevormd, lang voordat de sterren begonnen te schijnen. Astronomen hebben eerder gesuggereerd dat deze zogenaamde oerzwarte gaten de oorzaak kunnen zijn van alle of een deel van de mysterieuze donkere materie van het universum en dat ze de vorming van superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels hebben veroorzaakt. De nieuwe theorie stelt voor dat oer-zwarte gaten zouden kunnen helpen bij het creëren van veel van de zwaardere elementen die in de natuur worden aangetroffen.

De onderzoekers begonnen met te bedenken dat kort na de oerknal een uniform energieveld het heelal doordrong. Wetenschappers verwachten dat dergelijke velden in het verre verleden hebben bestaan. Nadat het heelal snel uitdijde, dit energieveld zou in klonten zijn verdeeld. Door de zwaartekracht zouden deze klonten elkaar aantrekken en samensmelten. De UCLA-onderzoekers stelden voor dat een klein deel van deze groeiende klompen dicht genoeg werd om zwarte gaten te worden.

Hun hypothese is vrij algemeen, Kusenko zei, en het is niet afhankelijk van wat hij de 'onwaarschijnlijke toevalligheden' noemde die ten grondslag liggen aan andere theorieën die oer-zwarte gaten verklaren.

Het artikel suggereert dat het mogelijk is om naar deze oerzwarte gaten te zoeken met behulp van astronomische waarnemingen. Eén methode omvat het meten van de zeer kleine veranderingen in de helderheid van een ster die het gevolg zijn van de zwaartekrachtseffecten van een oerzwart gat dat tussen de aarde en die ster passeert. Eerder dit jaar, Amerikaanse en Japanse astronomen publiceerden een artikel over hun ontdekking van één ster in een nabij sterrenstelsel die helderder en zwakker werd, precies alsof er een oerzwart gat voor langs ging.

Een zwart gat gevangen door een neutronenster. Krediet:Alexander Kusenko/UCLA

In een aparte studie, Kusenko, Volodymyr Takhistov, een UCLA postdoctoraal onderzoeker, en George Fuller, een professor aan UC San Diego, voorgesteld dat oerzwarte gaten een belangrijke rol zouden kunnen spelen bij de vorming van zware elementen zoals goud, zilver, platina en uranium, die aan de gang kunnen zijn in onze melkweg en andere.

De oorsprong van die zware elementen is lange tijd een mysterie geweest voor onderzoekers.

"Wetenschappers weten dat deze zware elementen bestaan, maar ze weten niet zeker waar deze elementen worden gevormd, "Zei Kusenko. "Dit is echt gênant geweest."

Het UCLA-onderzoek suggereert dat een oerzwart gat af en toe in botsing komt met een neutronenster - de stadsgrote, ronddraaiend overblijfsel van een ster die overblijft na enkele supernova-explosies - en in de diepte zinkt.

Wanneer dat gebeurt, Kusenko zei, het oerzwarte gat eet de neutronenster van binnenuit op, een proces dat ongeveer 10 duurt, 000 jaar. Naarmate de neutronenster krimpt, hij draait nog sneller, waardoor uiteindelijk kleine fragmenten losraken en wegvliegen. Die fragmenten van neutronenrijk materiaal kunnen de plaatsen zijn waar neutronen samensmelten tot steeds zwaardere elementen, zei Kusenko.

Echter, de kans dat een neutronenster een zwart gat vangt is vrij klein, zei Kusenko, wat consistent is met waarnemingen van slechts enkele sterrenstelsels die zijn verrijkt met zware elementen. De theorie dat oerzwarte gaten botsen met neutronensterren om zware elementen te creëren, verklaart ook het waargenomen gebrek aan neutronensterren in het centrum van het Melkwegstelsel, een al lang bestaand mysterie in de astrofysica.

Deze winter, Kusenko en zijn collega's zullen samenwerken met wetenschappers van Princeton University aan computersimulaties van de zware elementen die worden geproduceerd door een neutronenster-zwart gat-interactie. Door de resultaten van die simulaties te vergelijken met waarnemingen van zware elementen in nabije sterrenstelsels, de onderzoekers hopen te bepalen of oerzwarte gaten inderdaad verantwoordelijk zijn voor het goud van de aarde, platina en uranium.