Distributionen av mörk materia i galaxklustret Abell 3827 verkar som blå konturlinjer på detta foto av Hubble rymdteleskop.
(Bild: © ESO / R. Massey)
Vita hål, som teoretiskt sett är de exakta motsatserna av svarta hål, kan utgöra en stor del av den mystiska mörka materien som är tänkt att utgöra det mesta av ämnet i universumet, konstaterar en ny studie. Och några av dessa bisarra vita hål kan till och med föregå Big Bang, sade forskarna.
Svarta hål har gravitationella drag så kraftfulla att inte ens ljus, det snabbaste i universum, kan undkomma dem. Den osynliga sfäriska gränsen som omger kärnan i ett svart hål som markerar dess återgångspunkt är känd som dess händelseshorisont. [Bilder: Black Holes of the Universe]
Ett svart hål är en förutsägelse av Einsteins teori om allmän relativitet. En annan är känd som ett vitt hål, som är som ett svart hål i omvänd riktning: Eftersom ingenting kan fly från ett hålets händelseshorisont, kan ingenting komma in i ett vitt hols händelseshorisont.
Tidigare forskning har föreslagit att svarta hål och vita hål är anslutna, med att materie och energi faller i ett svart hål som potentiellt kommer ut från ett vitt hål antingen någon annanstans i kosmos eller i ett annat universum helt. 2014 föreslog Carlo Rovelli, en teoretisk fysiker vid Aix-Marseille universitet i Frankrike, och hans kollegor att svarta hål och vita hål kan kopplas på ett annat sätt: När svarta hål dör, kan de bli vita hål.
På 1970-talet beräknade teoretiska fysiker Stephen Hawking att alla svarta hål borde avdunsta massan genom att avge strålning. Svarta hål som förlorar mer massa än de får förväntas krympa och slutligen försvinna.
Rovelli och hans kollegor föreslog emellertid att krympande svarta hål inte kunde försvinna om rymdets och tidens tyg var kvantitet - det vill säga gjorda av odelbara mängder kända som kvanta. Rymdtid är kvant i forskning som försöker förena allmän relativitet, som kan förklara gravitationens natur, med kvantmekanik, som kan beskriva beteendet hos alla kända partiklar, till en enda teori som kan förklara alla krafter i universum .
I studien 2014 föreslog Rovelli och hans team att när ett svart hål förångades till en grad där det inte kunde krympa ytterligare eftersom rymdtid inte kunde pressas in i något mindre, skulle det döende svarta hålet sedan återfalla för att bilda en vit hål.
"Vi snubblat på det faktum att ett svart hål blir ett vitt hål i slutet av dess förångning," berättade Rovelli till Space.com.
Svarta hål för närvarande tros bildas när massiva stjärnor dör i jättexplosioner kända som supernovor, som pressar sina lik till de oändligt täta punkter som kallas singulariteter i hjärtan av svarta hål. Rovelli och hans kollegor uppskattade tidigare att det skulle ta ett svart hål med en massa som är lika med solens ungefär en kvadrillion gånger universums nuvarande ålder för att omvandlas till ett vitt hål. [Supernova Photos: Great Images of Star Explosions]
Emellertid föreslog tidigare arbete på 1960- och 1970-talet att svarta hål också kunde ha sitt ursprung inom en sekund efter Big Bang, på grund av slumpmässiga fluktuationer i densitet i det heta, snabbt expanderande nyfödda universum. Områden där dessa fluktuationer koncentrerade ämnen tillsammans kunde ha kollapsat för att bilda svarta hål. Dessa så kallade ursprungliga svarta hål skulle vara mycket mindre än svarta hål i stjärnmassan och kunde ha dött för att bilda vita hål under universumets livstid, konstaterade Rovelli och hans kollegor.
Även vita hål med mikroskopiska diametrar kan fortfarande vara ganska massiva, precis som svarta hål mindre än ett sandkorn kan väga mer än månen. Nu föreslår Rovelli och studerar medförfattare Francesca Vidotto, universitetet i Baskien i Spanien, att dessa mikroskopiska vita hål skulle kunna utgöra mörk materia.
Även om mörk materia tros utgöra fem-sjättar av all materia i universum, vet forskare inte vad den är gjord av. Som namnet antyder är mörk materia osynlig; det avger inte, reflekterar eller ens blockerar ljus. Som ett resultat kan mörk materia för närvarande spåras endast genom dess gravitationseffekter på normal materia, till exempel det som utgör stjärnor och galaxer. Arten av mörk materia är för närvarande ett av vetenskapens största mysterier.
Den lokala densiteten för mörk materia, som föreslås av rörelsen av stjärnor nära solen, är cirka 1 procent solens massa per kubik parsec, vilket är cirka 34,7 kubik ljusår. För att redogöra för denna täthet med vita hål beräknade forskarna att ett litet vitt hål - mycket mindre än en proton och ungefär en miljonste gram, vilket är lika med massan "en halv tum av ett mänskligt hår", Rovelli sa - behövs per 2 400 kubik miles (10 000 kubik kilometer).
Dessa vita hål skulle inte ge ut någon strålning, och eftersom de är mycket mindre än en våglängd för ljus, skulle de vara osynliga. Om en proton råkar påverka ett av dessa vita hål, skulle det vita hålet "helt enkelt studsa bort", sade Rovelli. "De kan inte svälja någonting." Om ett svart hål skulle möta ett av dessa vita hål, skulle resultatet bli ett enda större svart hål, tillade han. Som om tanken på osynliga, mikroskopiska vita hål från tidens gryning inte var tillräckligt vilda, föreslog Rovelli och Vidotto vidare att vissa vita hål i detta universum faktiskt skulle kunna föregå Big Bang. Framtida forskning kommer att undersöka hur sådana vita hål från ett tidigare universum kan bidra till att förklara varför tiden bara flyter framåt i detta nuvarande universum och inte också i omvänd riktning, sade han.
Rovelli och Vidotto detaljerade sina resultat online 11 april i ett papper som lämnades in till Gravity Research Foundation: s årliga tävling för uppsatser om gravitation.
