Jedną z najgłębszych tajemnic kosmologii jest pytanie, dlaczego w ogóle istniejemy. Zgodnie ze standardowym modelem fizyki, podczas Wielkiego Wybuchu powstałyby równe ilości materii i antymaterii. Ponieważ te dwie substancje ulegają anihilacji w kontakcie ze sobą, doskonale zrównoważony wszechświat zamieniłby się w czystą energię, pozostawiając jedynie pustkę pozbawioną gwiazd, planet i życia.
Jednak nasz Wszechświat składa się głównie z materii. Nowe badania sugerują, że „brakująca” antymateria mogła zostać pochłonięta przez serię potężnych eksplozji maleńkich, starożytnych czarnych dziur.
Tajemnica kosmicznej asymetrii
Aby zrozumieć znaczenie tej teorii, konieczne jest zrozumienie „problemu anihilacji”. W symetrycznym Wszechświecie każda cząstka materii musi mieć odpowiadającą jej antycząstkę. Kiedy się spotykają, znikają, zamieniając się w energię. Aby materia dominowała, musiał istnieć jakiś mechanizm – coś w rodzaju „wskazówki” na skali – który pozwoliłby materii przetrwać w większej liczbie niż antymateria.
Fizyk Alexandra Klipfel przedstawiła niedawno przekonującą hipotezę na Światowym Szczycie Fizyki Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego: pierwotne czarne dziury mogły zapewnić tę nierównowagę.
Jak małe czarne dziury mogą „przechylić szalę”
W przeciwieństwie do supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk, te hipotetyczne pierwotne czarne dziury powstałyby w wyniku wahań gęstości bezpośrednio po Wielkim Wybuchu.
Proponowany mechanizm działa w następujący sposób:
- Powstanie: Te maleńkie czarne dziury, każda o masie małego samochodu (około 1000 kg), uformowały się wewnątrz plazmy kwarkowo-gluonowej – super gorącej i gęstej „zupy”, która istniała przed pojawieniem się protonów i neutronów.
- Parowanie: W procesie znanym jako promieniowanie Hawkinga te czarne dziury stopniowo traciły masę, emitując energię do otoczenia.
- Eksplozja: Zaledwie jedna dziesiąta miliardowej sekundy po Wielkim Wybuchu te czarne dziury całkowicie wyparowałyby w wyniku potężnych eksplozji, wysyłając masywne fale uderzeniowe przez plazmę kwarkowo-gluonową.
Rola fal uderzeniowych i mechanizmu Higgsa
Klucz do tej teorii leży w „surowości” fal uderzeniowych tworzonych przez te eksplozje. W gładkim, jednorodnym Wszechświecie procesy materii i antymaterii pozostawałyby w równowadze, znosząc się nawzajem. Jednak fala uderzeniowa tworzy nagłą, ostrą granicę między dwoma różnymi środowiskami.
- Wewnątrz fali uderzeniowej: Temperatura byłaby tak ekstremalna, że cząstki nie miałyby masy, ponieważ mechanizm Higgsa (proces nadający cząstkom masę przez bozon Higgsa) nie może działać w tak ultrawysokich temperaturach.
- Poza falą uderzeniową: Temperatura byłaby niższa, co umożliwiłoby cząstkom przyrost masy.
Kiedy cząstki przekraczają tę granicę, nagła zmiana ich właściwości fizycznych – zwłaszcza masy – może wywołać proces, który sprzyja wytwarzaniu lub przetrwaniu materii zamiast antymaterii. W miarę rozszerzania się fali uderzeniowej nadmiar materii został „utrwalony”, stając się ostatecznie elementami składowymi przestrzeni.
Ukryta historia
Teoria ta oferuje potencjalny sposób badania zjawiska, które w przeciwnym razie pozostałoby niewidoczne. Jak zauważa fizyk teoretyczny Lucien Hertier, pierwotne czarne dziury są niezwykle trudne do wykrycia, ponieważ zniknęły dawno temu; żyli i umierali w pierwszych chwilach istnienia czasu.
Jeśli ta hipoteza jest słuszna, wówczas istnienie naszego materialnego świata nie jest kosmicznym przypadkiem, ale wynikiem skoordynowanej serii „fajerwerków” na dużą skalę, która miała miejsce u zarania dziejów.
Jeśli za brak równowagi materii i antymaterii odpowiedzialne były pierwotne czarne dziury, to gwałtowna śmierć tych maleńkich obiektów była nie tylko końcem, ale koniecznym początkiem uporządkowanego Wszechświata, w którym dzisiaj żyjemy.
