Svarta hål räddade universum genom att sluka sin antimateria-tvilling

Under den första biljontedelen av en sekund efter Big Bang var universum i princip en självmordspakt. För varje uns materia som flimrade till existens dök en identisk tvilling av antimateria upp vid sidan av, redo att vidröra och omedelbart försvinna i en explosion av ren energi. Enligt fysikens kända lagar borde kosmos ha varit ett kortlivat fyrverkeri som inte lämnade efter sig något annat än tomt ljus. Vi borde helt enkelt inte finnas här.

Fysiken kallar detta för baryonasymmetriproblemet. Det är det ultimata kosmiska bokföringsfelet. Om materia och antimateria skapades i lika stora mängder borde de ha förintat varandra fullständigt, vilket lämnat ett universum utan stjärnor, utan planeter och definitivt utan människor som undrar varför ljuset var släckt. Ändå är vi här, sittande i en värld som nästan helt består av materia, medan antimateriatvillingen inte går att finna någonstans.

Nikodem Poplawski, teoretisk fysiker vid University of New Haven, tror att han har hittat boven bakom denna kosmiska stöld. Han föreslår att den saknade antimaterian inte bara försvann ut i tomma intet; den blev uppäten. Närmare bestämt blev den uppslukad av en svärm av primordiella svarta hål som bildades i det extrema, högdensitetskaoset i det allra tidiga universum, vilket lämnade den vanliga materian att ärva jorden.

Universums saknade hälft är inte bara en filosofisk kuriositet. Om du skulle skaka hand med din antimateriaduplett skulle den resulterande explosionen få det största kärnvapen som någonsin byggts att framstå som obetydligt. Denna inneboende instabilitet innebär att varje obalans, hur liten den än är, skulle avgöra alltings öde. Poplawskis teori vilar på en specifik, subtil skillnad i hur dessa två typer av partiklar beter sig under gravitationens krossande grepp.

Primordiella svarta hål är det tidiga kosmos spöken. Till skillnad från de svarta hål vi ser idag, som bildas från kollapsande stjärnor, skulle dessa objekt ha smitts direkt ur själva Big Bang-soppan. De har varit en stapelvara inom teoretisk fysik sedan Stephen Hawking först föreslog dem på 1970-talet, även om de förblivit frustrerande osynliga för våra teleskop.

Poplawski argumenterar för att dessa små, uråldriga gravitationsbrunnar hade en preferens. I det högenergetiska tillståndet i det tidiga universum kan antimateriepartiklar ha varit något mer massiva eller rört sig annorlunda än sina motsvarigheter i materia. Detta är inte bara en gissning; nyligen genomförda experiment har visat att vissa partiklar, som mesoner, sönderfaller annorlunda än sina antimateriaversioner. Om antimateria var "tyngre" eller långsammare blev den ett lättare byte.

Gravitation är en tålmodig jägare, men den föredrar långsamma byten. Om antimateriepartiklar verkligen var mer massiva än materiepartiklar under den tidiga fasen av parbildning, skulle de ha rört sig med lägre hastigheter. Som alla banmekaniker kan berätta för dig, ju långsammare ett objekt rör sig, desto troligare är det att det fångas upp av ett gravitationsfält.

Poplawski föreslår att dessa primordiella svarta hål fungerade som kosmiska filter. De fångade in den långsammare antimaterian i betydligt högre takt än den snabbare materian. När en antimateriepartikel väl passerar händelsehorisonten är den borta från vårt observerbara universum för alltid. Det som blev kvar utanför hålen var ett litet överskott av materia.

Denna teori gör mer än att bara förklara varför vi existerar; den kan lösa ett huvudbry som för närvarande plågar teamen kring NASA:s James Webb Space Telescope (JWST). Sedan det började blicka tillbaka mot tidens morgon har JWST upptäckt supermassiva svarta hål som är långt större än de borde ha rätt att vara. Några av dessa monster, miljarder gånger massan av vår sol, dyker upp bara 500 miljoner år efter Big Bang.

Poplawskis teori om antimateriaätande ger en smidig genväg. Om primordiella svarta hål var upptagna med att sluka massiva mängder tung antimateria under universums första ögonblick, skulle de ha fått ett enormt försprång. De började inte som små frön; de började som mätta frossare. Genom att äta upp universums antimateriatvilling växte de tillräckligt snabbt för att bli de supermassiva ankaren för de första galaxerna.

Spänningen här ligger i det faktum att vi fortfarande arbetar med Einsteins karta över universum, och svarta hål är där den kartan börjar rivas sönder. Allmän relativitetsteori beskriver svarta hål som singulariteter – punkter med oändlig densitet där fysikens lagar upphör att gälla. De flesta fysiker, inklusive Poplawski, misstänker att detta är ett tecken på att Einsteins teori är ofullständig.

Om svarta hål inte är oändliga undergångspunkter utan objekt med inre struktur, förändrar deras förmåga att lagra och bearbeta materia (eller antimateria) hela situationen. Det finns en växande känsla i fysikvärlden att när våra bilder av svarta hål blir mer detaljerade, kommer vi att finna att Einsteins recept för gravitation behöver skrivas om. Vi letar efter en brygga mellan gravitationens gigantiska värld och de kvantpartiklarnas pyttelilla värld.

Poplawskis modell undviker många av de "ny fysik"-fällor som andra teorier faller i. Många förklaringar till obalansen mellan materia och antimateria kräver att man uppfinner helt nya partiklar eller krafter som aldrig har setts i ett labb. Poplawskis idé använder de ingredienser vi redan har – svarta hål och gravitation – och justerar bara timingen och aptiten.

Svårigheten, som alltid med Big Bang, är att bevisa det. Vi kan inte gå tillbaka till den första sekunden av tiden för att se dessa svarta hål äta. Vi blir dock bättre på att lyssna på universum. Gravitationsvågor – krusningar i rumtidens väv som orsakas av massiva kollisioner – skulle kunna ge de bevis Poplawski behöver.

Om det tidiga universum var fyllt med primordiella svarta hål, skulle de ha lämnat en specifik signatur i bakgrunden av gravitationsvågor. På samma sätt skulle neutriner – spöklika partiklar som passerar genom nästan allting – kunna bära information från den eran som ljus inte kan. Dessa partiklar fungerar som kosmiska arkeologer och för med sig data från en tid då universum var för opakt för att teleskop skulle kunna se något.

Det finns också möjligheten att testa detta på vår egen bakgård. Om materia och antimateria verkligen har något olika massa eller gravitationsrespons vid höga densiteter, kan framtida partikelacceleratorexperiment kanske upptäcka det. Vi undersöker för närvarande densiteter och avstånd som var otänkbara för ett decennium sedan.

Att acceptera denna teori kräver en förändring i hur vi ser på vår plats i kosmos. Vanligtvis tänker vi på svarta hål som världsförstörare – de mörka avloppen i galaxernas centrum där ljus går för att dö. Men i Poplawskis version av händelserna är de anledningen till att festen överhuvudtaget kom igång.

Utan dessa uråldriga, osynliga dammsugare skulle den materia som utgör ditt DNA ha förintats innan den någonsin fick chansen att bli en atom. Det är en märklig tanke: vi kanske är skyldiga våra liv till just de objekt som vi vanligtvis förknippar med slutet på allting. Om universum har en förkärlek, verkar det vara en förkärlek för överlevarna från ett svart håls middag.

Tills vidare förblir teorin ett fängslande stycke matematiskt detektivarbete. Den passar de data vi har från JWST och adresserar det största mysteriet inom kosmologi utan att behöva uppfinna en helt ny uppsättning regler. Men tills vi får en glimt av ett primordie-svart hål eller upptäcker ringarna efter deras tidiga frosseri, lämnas vi med ett universum som är en vacker, oavsiktlig biprodukt av en förhistorisk kosmisk måltid.