Когда дело доходит до того, что первичные черные дыры подозреваются в качестве темной материи, их оправдание может вот-вот развалиться. Крошечные черные дыры, образовавшиеся через несколько секунд после рождения Вселенной, могут существовать дольше, чем ожидалось, что вызывает новые подозрения, что первичные черные дыры могут быть ответственны за темную материю, самую загадочную материю во Вселенной.
Темная материя в настоящее время представляет собой одну из наиболее актуальных проблем физики. Это связано с тем, что, хотя темная материя составляет примерно 85% материи во Вселенной, темная материя остается невидимой для наших глаз, поскольку она не взаимодействует со светом.
Поскольку частицы, из которых состоят атомы «обычных» видимых нами объектов, таких как звезды, планеты и наши собственные тела, явно взаимодействуют со светом, это побудило к поиску частиц темной материи за пределами стандартной модели частиц. физика. Многие учёные полагают, что ответ по-прежнему кроется в Стандартной модели, однако, если мы посмотрим на меньшего родственника космических объектов, мы обычно видим их чрезвычайно массивными, даже чудовищными: чёрные дыры.
Связанный: Новый вид сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути намекает на интересную скрытую особенность (изображение)
Ученый Института Макса Планка Валентин Тос И Анна Фернандес Александр Недавно в таких исследованиях приняли участие два исследователя из Лиссабонского университета. Они предполагают, что небольшие черные дыры, возникшие более 13,8 миллиардов лет назад, сразу после Большого взрыва, и размером не больше протона, могли объединиться в подозреваемых в темной материи без необходимости в новой физике.
Недавние изменения в мышлении относительно того, как «испарились» черные дыры, привели не только к переоценке жизнеспособности первичных черных дыр в связи с подозрением на темную материю, но и поскольку поиск частиц темной материи продолжает приносить в основном пустые результаты, он может начаться. чтобы… Все больше исследователей более серьезно смотрят на теорию темной материи первичных черных дыр.
Что такое первичные черные дыры?
«Как следует из названия, первичные черные дыры — это тип черной дыры, которая образовалась в начале Вселенной», — сказал Тос Space.com. «На самом деле, в пределах первой доли секунды Вселенной».
Он объяснил, что все структуры, которые мы наблюдаем во Вселенной, от сверхскоплений галактик до галактик внутри самих себя, образованы небольшими избыточными плотностями в пространстве, которые присутствовали в начале существования Вселенной. Если бы ранняя Вселенная испытывала гораздо более сильные флуктуации плотности, чем те, которые создали эти особенности, и эти флуктуации коллапсировали раньше, чем фактически образовались галактики, эти чрезвычайно плотные пятна могли бы стимулировать появление первичных черных дыр.
В зависимости от того, когда произошел этот коллапс, а также от размера коллапса, эти первичные черные дыры будут иметь очень разные массы, добавил Тос. Первичные черные дыры, рассматриваемые Тосом и Фернандесом-Александром в качестве возможных кандидатов на роль темной материи, будут иметь массу от нескольких тонн до тысячи тонн, если быть точным, что меньше массы планеты и больше в категории малых астероид.
Учитывая, что наименьшие черные дыры, обнаруженные учеными до сих пор, известные как черные дыры звездной массы, имеют массы, эквивалентные от 3 до 50 масс Солнца, что само по себе составляет 2,2 раза по 10 в 27-й степени (22, за которыми следуют 26). ). (Нули) тонн. Эти первичные черные дыры невероятно малы.
По словам Фернандеса-Александра, как и их более крупные аналоги из черных дыр, образовавшиеся либо в результате коллапса массивных звезд, либо в результате слияния относительно меньших черных дыр, первичные черные дыры будут иметь поглощающую свет внешнюю границу, называемую горизонтом событий. Диаметр этого горизонта определяется массой черной дыры, а это означает, что в таких случаях горизонт событий будет невероятно мал. «Меньше радиуса протона», — сказал Фернандес-Александер.
Маленькие первичные черные дыры ранее были исключены из числа кандидатов на роль темной материи, поскольку считается, что все черные дыры «упускают» тип теплового излучения, гипотеза которого впервые была выдвинута Стивеном Хокингом в 1974 году и позже названа «излучением Хокинга».
Чем меньше черная дыра, тем быстрее может уйти излучение Хокинга и, следовательно, тем быстрее оно должно испариться. Это означает, что если первичные черные дыры вообще существовали, то даже самых маленьких примеров сегодня не должно существовать, но темная материя явно существует.
«Первичные черные дыры с массами, которые мы с Анной изучаем сейчас, ранее считались маловероятными, поскольку предполагалось, что к этому времени они полностью испарились во Вселенной», — сказал Тос.
Однако недавняя работа Дьердя Двали, физика-теоретика из Мюнхенского университета, который сотрудничал с Тосом и Фернандесом-Александром, предположила, что процесс испарения в какой-то момент прерывается. Это означает, что первичные черные дыры с рассматриваемыми учеными массами могли достичь квазистационарного состояния.
«Чтобы уменьшить свою массу за счет излучения Хокинга, черная дыра должна переписать свою информацию или что-то еще. И этот процесс перезаписи требует времени», — объяснил Фернандес-Александер. «Это называется «нагрузка на память», потому что эта память теперь должна перейти к чему-то другому, и это замедляет общий процесс испарения. Так что это своего рода стабилизация».
Этот «механизм спасения» означает, что первичные черные дыры снова стали потенциальными кандидатами на роль темной материи!
Точное свидетельство темной материи?
Однако тот факт, что сегодня во Вселенной существуют первичные черные дыры, не означает, что их сразу следует считать подозреваемыми в темной материи. На самом деле, есть и другие причины связывать эти маленькие гипотетические черные дыры с загадочным вещественным составом Вселенной.
Возможно, наиболее очевидная связь заключается в том, что темная материя не взаимодействует со светом. Темная материя не излучает и не отражает свет, а горизонт событий, граничащий со всеми черными дырами, отмечает точку, в которой скорость убегания, необходимая для пересечения, превышает скорость света. Это означает, что первичные черные дыры «захватывают» весь падающий свет, что приводит к очевидному отсутствию взаимодействий.
«Если они достаточно легкие, то где-то в районе планетарной массы первичные черные дыры ведут себя как частицы темной материи во всех наших целях», — сказал Тос. «В стандартных моделях темная материя «без столкновений», поэтому частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом до такой степени, что влияют на Вселенную».
Он добавил, что если бы первичные черные дыры были легче планетарных масс, они даже в космических масштабах времени были бы настолько маленькими, что редко сталкивались бы. Эти первичные черные дыры могут объединиться, чтобы создать гравитационные эффекты, которые мы сейчас приписываем темной материи, например, обеспечивая гравитационное влияние, которое предотвращает сдувание быстро вращающихся галактик.
Однако, если бы первичные черные дыры должны были агрегироваться, чтобы учесть эффекты темной материи, что могло бы помешать этим черным дырам собраться вместе и слиться, образуя более крупные черные дыры? Не превратится ли группа крошечных черных дыр в конечном итоге в сверхмассивную черную дыру? Это было расследовано, и ответ прост: «Нет», — сказал Тос.
«Даже если принять во внимание слипание, временные рамки слияния настолько велики, что за все время существования Вселенной они сольются только в очень массивные черные дыры», — продолжил он.
Тос добавил, что прелесть использования первичных черных дыр в качестве объяснения темной материи заключается в том, что, в отличие от предложения гипотетической частицы, такой как ось, для объяснения загадки, первичные черные дыры не требуют расширения стандартной модели физики элементарных частиц. Наше лучшее объяснение Вселенной находится на субатомном уровне.
Однако было бы очень сложно подтвердить, что первичные черные дыры являются темной материей, если они действительно объясняют это явление. Опять же, их светоулавливающая природа означает, что они фактически невидимы. Кроме того, при столь малых размерах они не оказывают такого же мощного гравитационного воздействия, как их звездные и сверхмассивные братья.
Даже в этом случае, если бы была обнаружена группа первичных черных дыр, не было бы реального способа отличить множество маленьких черных дыр от одной большой черной дыры.
Несмотря на эту трудность, Тос и Фернандес-Александер намерены оставаться на хвосте первичных черных дыр — по крайней мере, теоретически. Если кандидаты на темную материю по-прежнему не будут появляться, возможно, ответом будет побудить больше физиков начать рассматривать метафорический барьер между физикой элементарных частиц и космологией.
«Я не могу сказать, что первичные черные дыры когда-либо исключались из числа кандидатов на темную материю, но какое-то время их игнорировали», — сказал Фернандес-Александер. «Теперь, учитывая тот факт, что у нас на самом деле нет никаких обнаружений частиц темной материи, я думаю, что рассмотрение этого варианта становится все более уместным».