Primordiale zwarte gaten die in de eerste ogenblikken na de oerknal zijn ontstaan ​​- kleine die kleiner zijn dan de punt van een speld en superzware die miljarden kilometers beslaan - kunnen verantwoordelijk zijn voor alle donkere materie in het universum.

Dat is de implicatie van een nieuw model van het vroege heelal, gemaakt door astrofysici van Yale, de Universiteit van Miami en de European Space Agency (ESA). Als het waar blijkt te zijn met gegevens van de binnenkort te lanceren James Webb Space Telescope, zou de ontdekking het begrip van wetenschappers van de oorsprong en aard van zowel donkere materie als zwarte gaten veranderen.

Men denkt dat donkere materie - die nooit rechtstreeks is waargenomen - de meerderheid van de materie in het universum vormt en fungeert als de onzichtbare steiger waarop sterrenstelsels zich vormen en ontwikkelen. Natuurkundigen hebben jarenlang verschillende kandidaten voor donkere materie getest, waaronder hypothetische deeltjes zoals steriele neutrino's, Weakly Interacting Massive Particles (WIMPS) en axions.

Aan de andere kant zijn zwarte gaten waargenomen. Een zwart gat is een punt in de ruimte waar materie zo dicht opeengepakt is dat het een intense zwaartekracht creëert. Zelfs het licht kan zijn aantrekkingskracht niet weerstaan. Zwarte gaten zijn te vinden in de centra van de meeste sterrenstelsels.

De nieuwe studie, geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal , grijpt terug op een theorie die in de jaren zeventig voor het eerst werd voorgesteld door natuurkundigen Stephen Hawking en Bernard Carr. Destijds beweerden Hawking en Carr dat in de eerste fractie van een seconde na de oerknal, kleine fluctuaties in de dichtheid van het universum mogelijk een golvend landschap hebben gecreëerd met "klonterige" gebieden met extra massa. Deze klonterige gebieden zouden ineenstorten tot zwarte gaten.

Hoewel de theorie geen grip kreeg binnen de bredere wetenschappelijke gemeenschap, suggereert het nieuwe onderzoek dat het, als het enigszins wordt gewijzigd, toch een verklarende kracht kan hebben.

Als de meeste oerzwarte gaten werden "geboren" met een grootte van ongeveer 1,4 keer de massa van de zon van de aarde, zouden ze mogelijk alle donkere materie kunnen verklaren, zei Yale-hoogleraar astronomie en natuurkunde Priyamvada Natarajan, de theoreticus van de krant.

Natarajan en haar collega's zeggen dat hun nieuwe model laat zien dat de eerste sterren en sterrenstelsels zich rond zwarte gaten in het vroege heelal zouden hebben gevormd. Ook, zei ze, zouden oer-zwarte gaten het vermogen hebben gehad om uit te groeien tot superzware zwarte gaten door te smullen van gas en sterren in hun omgeving, of door te versmelten met andere zwarte gaten.

"Oorspronkelijke zwarte gaten, als ze al bestaan, zouden wel eens de zaden kunnen zijn waaruit alle superzware zwarte gaten ontstaan, inclusief die in het centrum van de Melkweg," zei Natarajan.

"Wat ik persoonlijk super opwindend vind aan dit idee, is hoe het op elegante wijze de twee echt uitdagende problemen verenigt waaraan ik werk - namelijk het onderzoeken van de aard van donkere materie en de vorming en groei van zwarte gaten - en ze in één klap oplost, " voegde ze eraan toe.

De missie van de James Webb-telescoop is om de eerste sterrenstelsels te vinden die zich in het vroege heelal hebben gevormd en om sterren te zien die planetaire systemen vormen.

De eerste auteur van de nieuwe studie is Nico Cappelluti, een voormalig postdoctoraal onderzoeker van het Yale Center for Astronomy &Astrophysics Prize en nu assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Miami. Günther Hasinger, ESA's wetenschappelijk directeur, is de tweede auteur van het onderzoek.

"Onze studie toont aan dat we zonder nieuwe deeltjes of nieuwe fysica te introduceren, mysteries van de moderne kosmologie kunnen oplossen, van de aard van donkere materie zelf tot de oorsprong van superzware zwarte gaten," zei Cappelluti.

Primordiale zwarte gaten kunnen ook een andere kosmologische puzzel oplossen:de overmaat aan infraroodstraling, gesynchroniseerd met röntgenstraling, die is gedetecteerd door verre, schemerige bronnen verspreid over het universum. Natarajan en haar collega's zeiden dat groeiende, oerzwarte gaten "precies" dezelfde stralingssignatuur zouden vertonen.

Het beste van alles is dat het bestaan ​​van oerzwarte gaten in de nabije toekomst kan worden bewezen - of weerlegd - met dank aan de James Webb Space Telescope en ESA's Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-missie die is aangekondigd voor de jaren 2030.

Als donkere materie uit oerzwarte gaten bestaat, zouden er in het vroege heelal meer sterren en sterrenstelsels om hen heen zijn gevormd - precies het tijdperk dat de James Webb-telescoop zal kunnen zien. LISA zal ondertussen in staat zijn om zwaartekrachtsgolfsignalen op te vangen van vroege samensmeltingen van oerzwarte gaten.

"Als de eerste sterren en sterrenstelsels zich al in de zogenaamde 'donkere tijden' hebben gevormd, zou Webb het bewijs ervan moeten kunnen zien," zei Hasinger.

Natarajan voegde toe:"Het was onweerstaanbaar om dit idee grondig te onderzoeken, wetende dat het de potentie had om vrij snel te worden gevalideerd."