Een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven schetst hoe wetenschappers zwaartekrachtgolfexperimenten kunnen gebruiken om het bestaan ​​van oerzwarte gaten te testen, zwaartekrachtbronnen die vlak na de oerknal zijn gevormd en die volgens sommige wetenschappers een verklaring kunnen zijn voor donkere materie.

"We weten heel goed dat zwarte gaten kunnen worden gevormd door de ineenstorting van grote sterren, of zoals we onlangs hebben gezien, de samensmelting van twee neutronensterren, " zei Savvas Koushiappas, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Brown University en co-auteur van de studie met Avi Loeb van de Harvard University. "Maar de hypothese is dat er zwarte gaten zouden kunnen zijn die zich in het zeer vroege heelal hebben gevormd voordat er überhaupt sterren bestonden. Dat is waar we het met dit werk over hebben."

Het idee is dat kort na de oerknal, kwantummechanische fluctuaties leidden tot de dichtheidsverdeling van materie die we tegenwoordig waarnemen in het uitdijende heelal. Er is gesuggereerd dat sommige van die dichtheidsfluctuaties groot genoeg kunnen zijn geweest om zwarte gaten in het hele universum te veroorzaken. Deze zogenaamde oerzwarte gaten werden voor het eerst voorgesteld in het begin van de jaren zeventig door Stephen Hawking en medewerkers, maar zijn nooit ontdekt - het is nog steeds niet duidelijk of ze überhaupt bestaan.

Het vermogen om zwaartekrachtsgolven te detecteren, zoals onlangs aangetoond door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), heeft het potentieel om een ​​nieuw licht op de kwestie te werpen. Dergelijke experimenten detecteren rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd die verband houden met gigantische astronomische gebeurtenissen zoals de botsing van twee zwarte gaten. LIGO heeft al verschillende fusies van zwarte gaten ontdekt, en toekomstige experimenten zullen gebeurtenissen kunnen detecteren die veel verder terug in de tijd hebben plaatsgevonden.

"Het idee is heel eenvoudig, Koushiappas zei. "Met toekomstige zwaartekrachtsgolfexperimenten, we kunnen terugkijken naar een tijd vóór de vorming van de eerste sterren. Dus als we samensmeltingsgebeurtenissen van zwarte gaten zien voordat sterren bestonden, dan weten we dat die zwarte gaten niet van stellaire oorsprong zijn."

Kosmologen meten hoe ver terug in de tijd een gebeurtenis plaatsvond met behulp van roodverschuiving:het uitrekken van de golflengte van het licht die samenhangt met de uitdijing van het heelal. Gebeurtenissen verder terug in de tijd worden geassocieerd met grotere roodverschuivingen. Voor deze studie is Koushiappas en Loeb berekenden de roodverschuiving waarbij fusies van zwarte gaten niet langer zouden moeten worden gedetecteerd, uitgaande van alleen de oorsprong van sterren.

Ze laten zien dat bij een roodverschuiving van 40, wat overeenkomt met ongeveer 65 miljoen jaar na de oerknal, fusiegebeurtenissen mogen niet meer dan één per jaar worden opgespoord, stellaire oorsprong aannemen. Bij roodverschuivingen groter dan 40, evenementen moeten helemaal verdwijnen.

"Dat is echt het drop-dead point, " zei Koushiappas. "In werkelijkheid, we verwachten dat de fusiegebeurtenissen ruim voor dat punt zullen stoppen, maar een roodverschuiving van 40 of zo is absoluut het moeilijkste grens- of afkappunt."

Een roodverschuiving van 40 zou binnen het bereik moeten liggen van verschillende voorgestelde zwaartekrachtsgolfexperimenten. En als ze daarna nog fusiegebeurtenissen detecteren, het betekent een van twee dingen, Koushiappas en Loeb zeggen:Ofwel oerzwarte gaten bestaan, of het vroege heelal evolueerde op een manier die heel anders is dan het standaard kosmologische model. Ofwel zouden zeer belangrijke ontdekkingen zijn, zeggen de onderzoekers.

Bijvoorbeeld, primordiale zwarte gaten vallen in een categorie van entiteiten die bekend staat als MACHO's, of massieve compacte halo-objecten. Sommige wetenschappers hebben voorgesteld dat donkere materie - het onzichtbare materiaal waarvan wordt gedacht dat het het grootste deel van de massa van het universum omvat - kan worden gemaakt van MACHO's in de vorm van oerzwarte gaten. Een detectie van oerzwarte gaten zou dat idee versterken, terwijl een niet-detectie eraan zou twijfelen.

De enige andere mogelijke verklaring voor het samensmelten van zwarte gaten bij roodverschuivingen van meer dan 40 is dat het universum 'niet-Gaussiaans' is. In het standaard kosmologische model, materiefluctuaties in het vroege heelal worden beschreven door een Gauss-kansverdeling. Een fusiedetectie kan betekenen dat materiefluctuaties afwijken van een Gauss-verdeling.

"Bewijs voor niet-Gaussianiteit zou nieuwe fysica vereisen om de oorsprong van deze fluctuaties te verklaren, wat erg zou zijn, ' zei Loeb.

De snelheid waarmee detecties worden gedaan voorbij een roodverschuiving van 40 - als dergelijke detecties inderdaad worden gedaan - zou moeten aangeven of ze een teken zijn van oorspronkelijke zwarte gaten of bewijs voor niet-Gaussianiteit. Maar een niet-detectie zou een sterke uitdaging vormen voor die ideeën.