Hoewel veel natuurkundigen het bestaan ​​van donkere materie hebben voorspeld, een soort materie die niet absorbeert, licht reflecteren of uitstralen, tot nu toe heeft niemand het experimenteel kunnen observeren of de fundamentele aard ervan kunnen bepalen. Lichte oerzwarte gaten (PBH's), zwarte gaten gevormd in het vroege heelal, behoren tot de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie. Echter, het bestaan ​​van deze zwarte gaten is nog niet bevestigd.

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Californië-Santa Cruz hebben onlangs een studie uitgevoerd om de bestaande beperkingen op de toegestane parameterruimte van PBH's als donkere materie te verbeteren. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze stellen ook een mogelijke methode voor die kan worden gebruikt om Hawking-straling rechtstreeks te detecteren in gebieden met donkere materie en mogelijk de ontdekking van PBH-donkere materie mogelijk te maken.

Hawkingstraling is de thermische straling waarvan Stephen Hawking voorspelde dat deze spontaan zou worden uitgezonden door zwarte gaten. Er wordt verondersteld dat deze straling voortkomt uit de omzetting van kwantumvacuümfluctuaties in paren deeltjes, één ontsnapt aan het zwarte gat en de andere zit gevangen in zijn waarnemingshorizon (d.w.z. de grens rond zwarte gaten waaruit geen licht of straling kan ontsnappen).

"PBH's die meer dan een paar procent van de donkere materie omvatten, zouden een massa moeten hebben tussen ongeveer 10 ¹⁶ gram en 10 ³⁵ gram, "Adam Coogan, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Over het grootste deel van dat bereik, verschillende waarnemingen sluiten uit dat ze 100% van de donkere materie uitmaken. Echter, er is een opmerkelijke kloof in de beperkingen:PBH's met massa's rond die van een asteroïde (~ 10 ¹⁷ gram tot 10 ²² gram) kan nog steeds alle donkere materie uitmaken."

Het identificeren van methoden om de toegestane parameterruimte van PBH's te beperken of de Hawking-straling die ervan uitgaat te detecteren, zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van de observatie of ontdekking van PBH-donkere materie. Coogan, in samenwerking met zijn collega's Logan Morrison en Stefano Profumo, dus uiteengezet om het potentieel van MeV-gammastraaltelescopen te onderzoeken als hulpmiddelen om PBH Hawking-straling te detecteren.

"Het belangrijkste idee achter ons werk was om na te denken over een bepaalde manier om naar asteroïde-massa PBH's te zoeken, Coogan legde uit. "Van lichte PBH's wordt verwacht dat ze Hawking-straling uitzenden die bestaat uit een mix van fotonen en andere lichtdeeltjes, zoals elektronen en pionen. Telescopen kunnen vervolgens naar deze straling zoeken door onze melkweg of andere melkwegstelsels te observeren. Het doel van ons artikel was om te begrijpen hoe goed opkomende telescopen deze straling zouden kunnen waarnemen en bijgevolg hoeveel van de asteroïde-massa-PBH-parameterruimte ze zouden kunnen onderzoeken."

Terwijl we probeerden de massa's van PBH's te schatten die opkomende telescopen zouden kunnen helpen beperken, Coogan en zijn collega's ontdekten dat eerdere studies nog geen gegevens hadden geanalyseerd die waren verzameld door de COMPTEL-telescoop, een gammastralingstelescoop gelanceerd door NASA aan boord van het Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Deze gegevens, echter, zou kunnen helpen om de overvloed aan PBH's iets onder de asteroïde-massakloof te beperken (d.w.z. onder de 10 ¹⁷ gram). Hoewel er al beperkingen bestaan ​​in dit massabereik dankzij waarnemingen van Hawking-straling verzameld door Voyager 1 en de INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) satelliet, de nieuwe beperkingen die de onderzoekers introduceerden, bleken de sterkste tot nu toe.

"De belangrijkste input voor het berekenen van beperkingen en het maken van projecties is het berekenen van het spectrum van Hawking-straling geproduceerd door een enkele PBH, " zei Coogan. "We hebben deze berekening verfijnd in vergelijking met bestaande instrumenten in de literatuur door te verbeteren hoe straling geproduceerd door elektronen en pionen in het spectrum wordt verwerkt. De rest van de berekeningen zijn vrij typisch voor het zoeken naar donkere materie."

Ervan uitgaande dat PBH's met een specifieke massa een bepaalde fractie uitmaken van de totale donkere materie in de ruimte, de berekeningen van Coogan en zijn collega's zouden onderzoekers in staat stellen hun bijdrage aan het spectrum van fotonen te berekenen dat wordt uitgezonden door een astrofysisch object waarvan wordt aangenomen dat het een aanzienlijke hoeveelheid donkere materie bevat, zoals het centrum van de Melkweg. Als het spectrum geschat door deze berekeningen veel helderder was dan het waargenomen spectrum, bijvoorbeeld, men zou de mogelijkheid kunnen uitsluiten dat PBH's met die specifieke massa een specifieke fractie donkere materie vormen.

"Het maken van projecties voor de prestaties van toekomstige telescopen volgt dezelfde lijnen, hoewel er geen waargenomen spectrum is om mee te vergelijken, Coogan legde uit. In dit geval, het spectrum van fotonen uitgezonden door PBH's wordt vergeleken met een model voor de verwachte astrofysische achtergrond van fotonen."

De recente studie van Coogan, Morrison en Profumo hebben tot nu toe de sterkste beperkingen gesteld aan PBH's met een lage massa, met behulp van gegevens die zijn verzameld als onderdeel van een experiment dat 20 jaar geleden werd voltooid. In aanvulling, de onderzoekers toonden aan dat toekomstige telescopen die in staat zijn om MeV-energetische gammastraling te observeren, zouden kunnen helpen om asteroïde-massa PBH's te onderzoeken, wat een zeer moeilijk deel van de PBH-parameterruimte is om te onderzoeken.

"De astronomiegemeenschap heeft de afgelopen jaren verschillende voorstellen voor dergelijke telescopen overwogen en ik denk dat ons artikel een andere solide motivatie biedt om ze te bouwen, " voegde Coogan eraan toe. "Afgezien van PBH's, we hebben onderzocht hoe opkomende MeV-gammastralingtelescopen verschillende modellen van donkere materie van deeltjes zouden kunnen onderzoeken. We hebben onlangs een ander artikel afgerond waarin we de gammastralingsspectra voor een paar specifieke modellen hebben berekend en met andere medewerkers werken om deze berekeningen te verfijnen."

Coogan, Morrison en Profumo werken sinds kort ook samen met Alexander Moiseev, een onderzoekswetenschapper bij NASA, die een telescoop ontwikkelt genaamd de Galactic Explorer met een Coded Aperture Mask Compton Telescope (GECCO). Samen met Moiseev, ze hebben geprobeerd manieren in kaart te brengen waarop GECCO zou kunnen helpen bij het zoeken naar donkere materie.

© 2021 Science X Network