Fragen Sie Ethan: Vielleicht ist die fehlende Antimaterie in schwarzen Löchern versteckt?

Ursprünglicher Autor: Ethan Siegel
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Die Vision des Künstlers vom Planetensystem Kepler-42. Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass alles aus Materie besteht und nicht aus Antimaterie, aber schwarze Löcher können uns eine völlig andere Geschichte erzählen - wir haben keine Gelegenheit, festzustellen, woraus sie bestehen.

Eines der größten kosmischen Mysterien des ganzen Universums ist, warum es so viel mehr Materie in sich birgt als Antimaterie. Die Gesetze der Physik erlauben es uns, Materie und Antimaterie, soweit sie uns bekannt sind, zu gleichen Teilen herzustellen und zu zerstören. Betrachtet man jedoch die Sterne, Galaxien und großräumigen Strukturen des Universums, so stellen wir fest, dass sie alle aus Materie bestehen und die Menge an Antimaterie vernachlässigbar ist. Dieses kosmische Mysterium lässt viele Leute spekulieren, dass es möglicherweise eine gleiche Menge an Antimaterie gegeben hätte und sie dann irgendwie von der Materie getrennt war. Ist es möglich und könnte sich Antimaterie in schwarzen Löchern verstecken? Unser Leser fragt:
Es gibt ein Mysterium über das Vorhandensein von Materie und das Fehlen einer angemessenen Menge an Antimaterie. Einige abgelegene und alte Schwarze Löcher wurden viel schneller gebildet, als die derzeitigen Theorien dies vorhersagen können. Kann sich die fehlende Antimaterie in diesen prähistorischen Schwarzen Löchern verstecken? Ist die Masse supermassiver Schwarzer Löcher zumindest annähernd mit der Menge fehlender Antimaterie vergleichbar?
Dachte aufregend. Lassen Sie uns in diese Theorie eintauchen und sehen.


Der galaktische Cluster von MACSJ0717.5 + 3745 sollte aus Materie bestehen wie wir oder auf Sichtlinie würden wir Beweise für die Vernichtung von Materie mit Antimaterie sehen.

In welcher Richtung wir auch immer das Universum beobachten, wir sehen überall dasselbe: Galaxien und Sterne in allen Richtungen und an allen Orten des Weltalls, zumindest im Durchschnitt. Auf kleinen Skalen akkumulieren sich natürlich Galaxien zusammen, aber wenn Sie die größten Skalen betrachten, hat das Universum im Durchschnitt überall gleiche Eigenschaften (z. B. Dichte). Wenn es an einer Stelle eine Galaxie gab, die aus Antimaterie besteht, aber nicht aus Materie, würden wir eine Menge Beweise für die Vernichtung von Materie / Antimaterie und einen Mangel an Materie an der Grenze zwischen Materie und Antimaterie sehen. Die Tatsache, dass wir nirgendwo solche Beweise gefunden haben - weder in einzelnen Galaxien noch in Galaxienhaufen oder in kollidierenden Galaxienhaufen -, sagt uns, dass das Universum zu 99,999% aus Materie besteht wie wir und nicht aus Antimaterie.


In Clustern, Galaxien, benachbarten Sternensystemen, in unserem eigenen Sonnensystem - überall gibt es gravierende Einschränkungen hinsichtlich des Antimaterie-Anteils. Es besteht kein Zweifel - die Materie dominiert überall im Universum.

Und das ist seltsam, denn nach dem derzeitigen Verständnis der Gesetze der Physik sind wir uns der Mechanismen nicht bewusst, die es uns ermöglichen würden, mehr Materie als Antimaterie zu erzeugen. Die Symmetrie von Materie und Antimaterie wird in Bezug auf die Teilchenphysik noch strenger postuliert als Sie sich vorstellen können. Z.B:
  • Jedes Mal, wenn ein Quark auftritt, wird ein Antiquark erstellt.
  • Jedes Mal, wenn ein Quark zerstört wird, wird ein Antiquark zerstört.
  • Jedes Mal, wenn ein Lepton erscheint oder zerstört wird, wird dasselbe Antilepton derselben Lepton-Familie erstellt oder zerstört.
  • Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton interagiert, kollidiert oder zerfällt, bleibt die Gesamtzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Lepton minus Antileptonen) konstant.

Die einzige Möglichkeit, mehr Materie im Universum zu gewinnen, besteht darin, mehr Antimaterie zu erzeugen.


Ein Paar Materie / Antimaterie (links) aus reiner Energie [Photonen] erhalten - die Reaktion ist vollständig reversibel (rechts), Materie / Antimaterie kann sich zerstören und wird in reine Energie umgewandelt. Der Prozess der Erzeugung und Vernichtung, der die Gleichung E = mc 2 befolgt , ist der einzige bekannte Weg, um Materie oder Antimaterie zu erzeugen und zu zerstören.

Die Standardinterpretation dieser Tatsachen ist, dass zwar nicht klar ist wie, aber in der Vergangenheit des Universums erschien mehr Materie als Antimaterie. Im Standardbild des heißen Urknalls, als das Universum noch sehr jung war, wurden für alle bekannten (und sogar für die später noch zu entdeckenden) Partikel große Partikelpartikelpaare erstellt. Dies liegt daran, dass bei hohen Temperaturen und Dichten dank E = mc 2 Einstein spontan neue Partikel-Antiteilchen-Paare aus reiner Energie gewonnen werden können . In gleichen Mengen vernichten sich diese Paare und erzeugen wieder reine Energie (Photonen). Mit der Abkühlung des Universums endet die Energie zur Herstellung neuer Paare und die Vernichtung beginnt zu dominieren.


Mit der Expansion und Abkühlung des Universums zerfallen instabile Teilchen und Antiteilchen, Materie-Antimaterie-Dämpfe und Photonen können nicht mehr mit Energie kollidieren, die groß genug ist, um neue Teilchen zu erzeugen.

Wenn wir nicht die Asymmetrie von Materie und Antimaterie hätten, würde sich das Universum herausstellen, in dem es für jedes Proton 10 20 gibtPhotonen und ein Antiproton. Es würde ungefähr so ​​viele Elektronen und Positronen geben, wie es Protonen und Antiprotonen gibt, und das ist alles. Stattdessen beobachten wir jedoch das Universum, in dem für jedes Proton „nur“ 1-2 Milliarden Photonen existieren. Wir gehen davon aus, dass im frühen Universum ein gewisser asymmetrischer Prozess stattgefunden hat, der zu dieser Asymmetrie geführt hat. Ein einfaches Beispiel wäre die Schaffung eines neuen Satzes von Partikeln und Antiteilchen mit unterschiedlichen Präferenzen hinsichtlich der Zerfallskanäle, was zu einem leichten Vorteil der Materie gegenüber der Antimaterie führen könnte.


Eine symmetrische Ansammlung von Bosonen aus Materie und Antimaterie (X, Y, Anti-X und Anti-Y) könnte mit bestimmten Eigenschaften der Theorie der großen Vereinigung die Asymmetrie der Materie-Antimaterie erzeugen, die wir heute im Universum beobachten.

Was ist mit unserer neuen Idee? Was wäre, wenn in einigen frühen Momenten etwas dazu führte, dass Antimaterie in schwarze Löcher fiel und normale Materie zurückblieb? Wir sehen wirklich sehr frühe supermassive BHs in großen Mengen! Ihr Ursprung ist jedoch nicht notwendigerweise ein Problem oder eine gute Motivation, eine solche ungewöhnliche Idee zu unterstützen. Alles, was ohne Einbeziehung neuer Physik erklärt werden kann, sollte auf dieselbe Weise erklärt werden, und bei supermassiven BHs denken wir, dass es sich hier um einen direkten Zusammenbruch handelt. Einige BHs müssen nicht vor einem Stern erscheinen, der brennen und sich in eine Supernova verwandeln würde. Sie kollabieren einfach, wodurch BHs schnell genug erzeugt werden könnten, um die Präsenz junger Quasare zu erklären, die wir heute sehen.


Entfernte massive Quasare in ihrem Kern haben supermassive Schwarze Löcher. Sie sind sehr schwer zu schaffen, ohne einen großen „Samen“ zu haben, aber das Schwarze Loch des direkten Zusammenbruchs kann dieses Rätsel auf elegante Weise lösen. Wir können auch die Massen des zentralen BH auf der Grundlage der Eigenschaften von Quasaren berechnen, und obwohl sie unglaublich groß sind, enthalten sie viel weniger Masse als in der normalen Materie des Universums.

Schauen Sie also nicht in Richtung Supermassive BH. Es gibt auch eine Idee zu primären Schwarzen Löchern.die als Kandidat für die Erklärung der dunklen Materie periodisch wiederbelebt wird. Sie können nicht zu hell sein oder würden sehr schnell verdunsten; Sie können nicht zu schwer sein, sonst würden wir sie bemerken. Die meisten Massenintervalle, in denen die Masse der primären BHs platziert werden sollte, um die fehlende Masse des Universums zu erklären, wurden bereits ausgeschlossen oder in einem sehr starren Rahmen genommen. Um ein primäres BH zu erzeugen, ist eine Dichteschwankung (Abweichung von der durchschnittlichen Dichte) von 68% notwendig, aber im frühen Universum weichen die größten Schwankungen nicht um mehr als 0,006% von der durchschnittlichen Dichte ab. Tatsächlich wurde das einzige zulässige Massenintervall, in das die primären BHs für einen relativ großen Anteil dunkler Materie passen konnten, bereits von LIGO abgelehnt. Seine Beobachtungen zur Geschwindigkeit des Zusammenschlusses von BH deuten darauf hin


Einschränkungen der dunklen Materie, bestehend aus primärem BH. Das einzige verfügbare „Fenster“, in dem dunkle Materie aus schwarzen Löchern bestehen kann, wurde kürzlich durch Beschränkungen geschlossen, die LIGO für den stochastischen Hintergrund schwarzer Löcher in einem solchen Massenintervall erhalten hat.

Des Weiteren konnten wir die Gesamt-BH-Masse im Universum abschätzen und betragen etwa 0,007% der Gesamtenergie . In Anbetracht der Tatsache, dass die normale Materie 700 Mal mehr ist als BH, kann sich Antimaterie nicht darin verstecken. Antimaterie erzeugte kein BH.

Aber wir haben einen anderen Weg, um herauszufinden: Die Gesetze der Physik haben Symmetrieregeln, die von Materie und Antimaterie erfüllt werden müssen. Eine dieser Regeln gilt für auf Teilchen wirkende Kräfte: Unabhängig von der Kraft, die auf ein Teilchen einwirkt, muss eine Kraft derselben Größe auf ein Antiteilchen (möglicherweise mit dem entgegengesetzten Vorzeichen) wirken. Es funktioniert jedoch in beide Richtungen, sodass es keine Kräfte gibt, die nur auf Antimaterie wirken. Wenn Sie möchten, dass etwas die Antimaterie des Universums beeinflusst, sollte dies auch die Materie beeinflussen.


Der Ersatz eines Partikels durch ein Antiteilchen und dessen gleichzeitige Reflexion in einem Spiegel ist CP-Invarianz. Wenn der Antispiegel nicht normal abklingt, ist die Invarianz gebrochen. Die zeitliche Symmetrie oder T wird gebrochen, wenn der CP unterbrochen wird. Die kombinierte Symmetrie von C, P und T sollte gemäß den geltenden Gesetzen der Physik aufrechterhalten werden. Dies beeinflusst, welche Wechselwirkungen auftreten können und welche nicht.

Unter Berücksichtigung der bestehenden Gesetze der Physik sind wir daher sicher, dass Antimaterie nicht zusammengebrochen und in BH verwandelt werden konnte, wodurch normale Materie zurückblieb. Wenn die Menge an dunkler und normaler Materie gleich wäre, wäre eine solche Argumentation sinnvoll, jedoch die folgenden Punkte:
  • Wir brauchen keine exotische Physik für das Auftreten von supermassivem BH im frühen Universum.
  • primäre BHs passen nicht in die Idee der Bildung der Strukturen des Universums, und die Existenz einer großen Anzahl von ihnen ist größtenteils ausgeschlossen;
  • Antimaterie ist es verboten, Wechselwirkungen zu erfahren, die zu ihrer Umwandlung in BH führen, obwohl BH nicht aus normaler Materie hergestellt werden konnte.

genug, um zum Standardbild zurückzukehren. Irgendwie produzierte das Universum irgendwann in einer weit entfernten Vergangenheit mehr Materie als Antimaterie, und deshalb konnten wir erscheinen. Wie genau dies geschah, ist eines der größten ungelösten Rätsel der heutigen Physik.


Das frühe Universum war voller Materie und Antimaterie, die sich in einem Strahlenmeer befanden. Aber als das alles nach dem Abkühlen vernichtet wurde, blieb etwas Materie übrig. Die genaue Beschreibung dieses Prozesses ist als Problem der Baryogenese bekannt und bleibt eines der größten ungelösten Probleme in der Physik.

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