Hvorfor sorte huller kan udgøre alt mørkt stof

Mørkt stof er de mystiske ting, som kosmologer mener, fylder vores univers. Beviset for dets eksistens er, at der ikke er nok synlig masse til at holde galakser sammen. Men da galakser åbenlyst ikke flyver fra hinanden, må der være nogle usynlige ting, en eller anden manglende masse, der genererer de gravitationskræfter, der holder dem sammen.

Men der er et problem med denne idé. To af dem faktisk. For det første giver fysikeres bedste bud på fysikkens love en god beskrivelse af alle de partikler, de hidtil har opdaget, og nogle få, de forventer at opdage snart. Problemet er, at ingen af ​​disse partikler har den rigtige form for egenskaber til at være mørkt stof, dvs. elektrisk neutral, langtidsholdbar og langsomt bevægende. Men ingen af ​​de kendte eller rimeligt anslåede partikler passer til regningen. For at give plads til en mørk stofpartikel skal fysikkens love ændres på måder, som mange teoretikere føler sig utilpas med.

For det andet, på trods af et årti brugt på at søge efter mørkt stof med eksperimenter, der har kostet titusindvis af millioner dollars, er der ingen, der har set tingene. De fleste fysikere tror, ​​at disse eksperimenter ikke har fundet noget: zip, zilch, nul.

Det er svært at undslippe konklusionen om, at der er brug for en anden forklaring på den manglende masse.

Indtast Paul Frampton på University of North Carolina og et par venner. Framptons forslag er, at den manglende masse består af sorte huller, der er for små til at se direkte, men for store til at være fordampet væk på grund af Hawking-stråling.

Men denne idé er mere end endnu et vildt gæt. Frampton og venner har et interessant argument baseret på entropi for at understøtte deres påstand. Det går sådan her.

Først bestemmer de, hvad universets maksimale entropi kunne være ved at forestille sig, at hele det synlige univers var et kæmpe sort hul. Svaret viser sig at være 10^123, et meget stort tal. Så det er den øvre grænse for, hvad entropien kan være.

Dernæst udarbejder de en nedre grænse ved at lægge entropien sammen i alle de kendte sorte huller i universet. De regner dette ud ved at antage, at der er et gigantisk sort hul i midten af ​​hver galakse, en opfattelse, der i stigende grad er almindeligt fastholdt af astrofysikere.

Det giver tallet 10^103, mange størrelsesordener lavere.

Dette er en stor portion entropi, ganske vist, men Frampton og co, så det er usandsynligt, at det er den største bidragyder i vores univers. Hvert supermassivt sort hul er omtrent på størrelse med vores solsystem eller mindre, og det er intuitivt usandsynligt, at stort set hele entropien er så koncentreret, siger han. Så noget andet må generere entropi et eller andet sted.

Det kan ikke være synligt stof, da konventionelle beregninger indikerer, at dens entropi kun er 10^88. Hvad der er tilbage er entropien af ​​den manglende mørke masse.

Hvilken type sorte huller kan være ansvarlige for dette? Det viser sig, at ethvert sort hul, der er større end 10^6 solmasser, vil få nærliggende stof til at spiral ind i det, hvilket forhindrer galakser i at dannes. Alt mindre end 10^-8 solmasser ville være fordampet.

Så konklusionen er, at mørkt stof består af sorte huller med en masse på mellem 10^6 og 10^-8 solmasser.

Men der er også et problem med denne idé. Hvordan kunne disse sorte huller være dannet i så stort antal tidligt i universet. Noget må have fået stof til at klumpe sig sammen i denne skala for at danne de sorte huller. Men der er intet, der indikerer, hvordan dette kunne være sket i den nuværende teori om inflation, som beskriver, hvordan det tidlige univers voksede.

hatten er let løst siger Frampton og co: der må have været to perioder med inflation. Den første førte til universets struktur i stor skala, som vi ser og er blevet målt af rumfartøjer såsom WMAP. Den anden førte til den sammenklumpning, der skabte et stort antal mellemstore primordiale sorte huller.

Det er en forklaring, der er lidt nemmere at forstå end en, hvor fysikkens love skal ændres for at skabe nye mørkt stofpartikler. Men kun lige.

Men Framptons ideer kan bedre afprøves ved at lede efter beviser for disse primordiale sorte huller, som skulle forårsage mikrolinsebegivenheder: dvs. deres tyngdekraft bør fokusere lyset fra stjerner bag dem set fra Jorden.

Den slags målinger bliver nemmere at udføre, så det burde være muligt at acceptere eller afvise Framptons ideer i en ikke alt for fjern fremtid.

Refs:

arxiv.org/abs/1003.3356 : Sorte huller udgør alt mørkt stof

arxiv.org/abs/1001.2308 : Primordiale sorte huller som alt mørkt stof

skjule