A ideia do artista do sistema planetário Kepler-42. Temos todos os motivos para acreditar que tudo isso consiste em matéria, e não em antimatéria, mas os buracos negros podem nos contar uma história completamente diferente - não temos como estabelecer em que consistemUm dos maiores mistérios cósmicos de todo o Universo é o motivo pelo qual há muito mais matéria do que a antimatéria. As leis da física, tanto quanto sabemos, permitem criar e destruir matéria e antimatéria estritamente em proporções iguais. No entanto, olhando para as estrelas, galáxias e estruturas em larga escala do Universo, descobrimos que todas elas consistem em matéria, e a quantidade de antimatéria é insignificante. Esse enigma cósmico faz muitas pessoas argumentarem que talvez existisse uma quantidade igual de antimatéria e, de alguma forma, se separasse da matéria. Isso é possível e a antimatéria poderia se esconder em buracos negros? Nosso leitor pergunta:
Existe o mistério da presença da matéria e a ausência de uma quantidade apropriada de antimatéria. Alguns buracos negros antigos e distantes se formaram muito mais rapidamente do que as teorias atuais prevêem. A antimatéria ausente pode se esconder dentro desses buracos negros pré-históricos? A massa de buracos negros supermassivos é comparável a pelo menos aproximadamente a quantidade de antimatéria ausente?
O pensamento é emocionante. Vamos nos aprofundar nessa teoria e resolvê-la.
O aglomerado de galáxias MACSJ0717.5 + 3745 deve consistir de matéria, assim como nós, ou na linha de visão veríamos evidências da aniquilação de matéria com antimatériaEm qualquer direção em que observamos o Universo, em todos os lugares vemos a mesma coisa: galáxias e estrelas, em todas as direções e em todos os lugares do espaço, pelo menos em média. Em pequenas escalas, é claro, as galáxias se acumulam, mas se você estudar as maiores escalas, o Universo em todos os lugares terá, em média, as mesmas propriedades (por exemplo, densidade). Se em algum lugar houvesse uma galáxia composta de antimatéria, e não de matéria, veríamos uma enorme quantidade de evidências da aniquilação de matéria / antimatéria e um déficit de matéria na fronteira entre a matéria e a antimatéria. O fato de não encontrarmos essa evidência em lugar algum - nem em galáxias individuais, nem em aglomerados de galáxias, nem em aglomerados de galáxias - nos diz que 99,999% + o Universo consiste de matéria, como nós, e não de antimatéria.
Em aglomerados, galáxias, sistemas estelares adjacentes a nós, em nosso próprio sistema solar - em todos os lugares há sérias restrições à proporção de antimatéria. Não há dúvida - em todo lugar no Universo a matéria domina.E isso é estranho, porque, de acordo com o entendimento atual das leis da física, não conhecemos os mecanismos que nos permitiriam criar mais matéria que antimatéria. A simetria da matéria e da antimatéria, em termos da física de partículas, é postulada ainda mais estritamente do que você poderia imaginar. Por exemplo:
- toda vez que um quark aparece, um antiquark é criado,
- toda vez que o quark é destruído, o antiquark também é destruído,
- toda vez que o lepton aparece ou é destruído, o antilepton da mesma família é criado ou destruído da mesma maneira,
- toda vez que um quark ou lepton interage, colide ou decai, o número total de quarks e leptons no final da reação (quarks menos antiquarks, leptons menos antileptons) permanece constante.
A única maneira de obter mais matéria no universo é também criar mais antimatéria.
Obter um par de matéria / antimatéria (esquerda) da energia pura [fótons] é uma reação completamente reversível (direita), a matéria / antimatéria pode aniquilar, transformando-se em energia pura. O processo de criação e aniquilação, obedecendo à equação E = mc 2, é a única maneira conhecida de criar e destruir matéria ou antimatéria.A interpretação padrão desses fatos é que, embora não esteja claro como, mas no passado do Universo, a matéria parecia mais do que antimatéria. Na imagem padrão do Big Bang quente, quando o Universo era muito jovem, um grande número de pares partícula-antipartícula foi criado para todas as partículas conhecidas (e mesmo aquelas que descobriremos mais tarde). Isso ocorre porque, em altas temperaturas e densidades, é possível produzir espontaneamente novos pares partícula-antipartícula a partir de energia pura, graças ao E = mc
2 de Einstein. Em quantidades iguais, esses vapores se aniquilam, produzindo novamente energia pura (fótons). Com o resfriamento do universo, a energia para formar novos pares termina e a aniquilação começa a prevalecer.
Com a expansão e o resfriamento do Universo, partículas instáveis e antipartículas decaem, os pares matéria-antimatéria se aniquilam e os fótons não conseguem mais colidir com energia grande o suficiente para criar novas partículas.Se não tivéssemos a assimetria da matéria e da antimatéria, teríamos um universo no qual, para cada próton, existem 10
20 fótons e um antipróton. Haveria aproximadamente o mesmo número de elétrons e pósitrons que prótons e antiprótons - e isso é tudo. Em vez disso, porém, observamos o Universo, no qual para cada próton existem “apenas” 1 a 2 bilhões de fótons. Assumimos que no Universo primitivo havia um certo processo assimétrico que gerava essa assimetria. Um exemplo simples seria a criação de um novo conjunto de partículas e antipartículas com preferências diferentes em relação aos canais de decaimento, o que poderia levar a uma pequena vantagem da matéria sobre a antimatéria.
Uma coleção simétrica de bósons da matéria e antimatéria (X, Y, anti-X e anti-Y) poderia, com certas propriedades da Grande Teoria da Unificação , gerar a assimetria da matéria antimatéria que observamos hoje no Universo.E a nossa nova ideia? E se, em algum momento inicial, algo causasse o colapso da antimatéria em buracos negros, deixando a matéria normal para trás? Afinal, observamos realmente grandes BHs supermassivas muito cedo! No entanto, sua origem não é necessariamente um problema ou uma boa motivação para apoiar uma idéia tão incomum. Tudo o que pode ser explicado sem o envolvimento da nova física precisa ser explicado dessa maneira e, como nas BHs supermassivas, pensamos que tudo é uma questão de colapso direto. Para algumas BHs, para a aparência, não é necessário que, a princípio, exista uma estrela que se queime e se transforme em supernova; eles simplesmente entram em colapso, o que poderia dar origem a “sementes” de BH suficientemente grandes para explicar a presença de
quasares jovens que observamos hoje.
Quasares maciços remotos em seu núcleo têm buracos negros supermassivos. Eles são muito difíceis de criar sem uma grande "semente", mas um buraco negro de colapso direto pode resolver com elegância esse enigma. Também podemos calcular as massas de BHs centrais com base nas propriedades dos quasares e, embora sejam incrivelmente grandes, elas contêm muito menos massa do que a matéria normal no Universo.Portanto, não olhe para os buracos negros supermassivos. Há também a idéia de
buracos negros primários , que são ressuscitados periodicamente como um candidato para explicar a matéria escura. Eles não podem ser muito leves, ou evaporariam muito rapidamente; eles não podem ser muito pesados, ou nós os notaríamos. A maioria das lacunas de massa nas quais a massa de BHs primárias deveria se encaixar, alegando explicar a massa que faltava no Universo, já foram excluídas ou levadas a uma estrutura muito estreita. Criar uma BH primária requer uma flutuação de densidade (desvio da densidade média) de 68%, mas no Universo inicial, as maiores flutuações não se desviaram da densidade média em mais de 0,006%. De fato, a única extensão de massa admissível que se encaixa na qual as BHs primárias podem ser responsáveis por uma proporção suficientemente grande da matéria escura já foi rejeitada pelo LIGO. Suas observações da taxa de fusão de BH indicam que a massa total dessas BHs contendo de 10 a 100 massas solares não excede 0,000017% da densidade crítica.
Restrições à matéria escura, constituídas por BHs primárias. A única “janela” disponível em que a matéria escura pode consistir em buracos negros foi recentemente fechada por restrições obtidas do LIGO no fundo estocástico de buracos negros, exatamente com essa diferença de massa.Além disso, fomos capazes de estimar a massa total da BH no Universo, e isso equivale a
cerca de 0,007% da energia total . Dado que há 700 vezes mais matéria normal que BH, a antimatéria não pode se esconder nelas; antimatéria não deu origem a BH.
Mas temos outra maneira de descobrir: as leis da física têm regras de simetria que a matéria e a antimatéria devem satisfazer. Uma dessas regras se aplica às forças que agem sobre as partículas: não importa qual a força que atua sobre uma partícula, uma força da mesma magnitude (possivelmente com o sinal oposto) deve agir sobre a antipartícula. Mas isso funciona nos dois sentidos, portanto, não pode haver forças atuando apenas na antimatéria. Se você deseja que algo aja sobre a antimatéria do Universo, ele também deve agir sobre a matéria.
A mudança de uma partícula para uma antipartícula e seu reflexo simultâneo em um espelho é invariância da CP. Se o anti-espelho se separar de maneira diferente do normal, a invariância é violada. A simetria do tempo, ou T, é interrompida se o CP for interrompido. A simetria combinada de C, P e T deve ser preservada de acordo com as leis atuais da física, que afetam quais interações podem ocorrer e quais não podem.Portanto, dadas as leis da física existentes, temos certeza de que a antimatéria não poderia entrar em colapso completamente e se transformar em um buraco negro, deixando a matéria normal para trás. Se a quantidade de matéria escura e normal fosse a mesma, esse raciocínio faria sentido, mas os seguintes pontos:
- não precisamos de física exótica para o aparecimento de BHs supermassivas no início do Universo;
- BHs primárias não se encaixam na idéia da formação das estruturas do Universo, e a existência de um grande número delas, na maioria das vezes, é excluída;
- A antimatéria é proibida de experimentar interações que levem à sua transformação em BH, enquanto BH não seria possível a partir da matéria normal.
o suficiente para voltar à imagem padrão. De alguma forma, o Universo produziu mais matéria que antimatéria, em algum momento de um passado muito distante, e é por isso que você e eu fomos capazes de aparecer. A maneira pela qual isso aconteceu continua sendo um dos maiores mistérios não resolvidos da física de hoje.
O Universo primitivo estava cheio de matéria e antimatéria, que estavam em um mar de radiação. Mas quando tudo isso foi aniquilado após o resfriamento, restou um pequeno problema. Uma descrição precisa desse processo é conhecida como o problema da barogênese e continua sendo um dos maiores problemas não resolvidos da física.