Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Согласно новому исследованию, первичные чёрные дыры, возникшие на заре времён, могут существовать и в современной Вселенной, объясняя феномен тёмной материи.
Новая научная работа предполагает, что в чрезвычайно ранней Вселенной первичные чёрные дыры могли приобрести так называемый тёмный заряд, который обеспечил бы им неестественно долгий срок жизни. Это делает их интересным, хотя и экзотическим, кандидатом на роль тёмной материи.
Наследие Хокинга и загадка испарения
В 1970-х годах знаменитый физик Стивен Хокинг сделал революционное открытие: чёрные дыры неабсолютно «чёрные».
Благодаря сложному взаимодействию между их горизонтами событий (границами, из-за которых ничто, даже свет, не может вырваться) и квантовыми полями, пронизывающими пространство-время вокруг них, чёрные дыры могут медленно, но непрерывно испускать излучение.
Этот процесс, названный излучением Хокинга, заставляет чёрные дыры терять массу. Причём чем меньше становится чёрная дыра, тем интенсивнее излучает, пока окончательно не исчезнет во вспышке частиц и энергии.
Вскоре после этого Хокинг осознал, что экзотические условия ранней Вселенной — периода сразу после Большого взрыва — могли привести к образованию множества «первичных» чёрных дыр (ПЧД). Они могли сформироваться не из коллапсирующих звёзд (как обычные чёрные дыры), а из участков пространства-времени с аномально высокой плотностью.
Если бы такие первичные чёрные дыры были достаточно малы, то, согласно теории Хокинга, мы должны были бы наблюдать их испарение в наши дни.
На какое-то время космологи (учёные, изучающие Вселенную в целом) увидели в первичных чёрных дырах перспективного кандидата на роль тёмной материи. Это таинственное вещество, которое не испускает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитационное воздействие.
Наблюдения показывают, что тёмная материя составляет бóльшую часть массы практически во всех галактиках. Однако, несмотря на десятилетия поисков, астрономы так и не обнаружили никаких признаков испаряющихся первичных чёрных дыр. Это поставило под сомнение их роль в качестве тёмной материи.
Заряженные чёрные дыры и «тёмный сектор»
Но история первичных чёрных дыр на этом не заканчивается. Изначальный анализ Хокинга касался простейшего типа чёрных дыр — не имеющих электрического заряда.
Последующие исследования показали, что чёрные дыры, обладающие электрическим зарядом, могут существовать намного дольше, так как излучение Хокинга для них подавлено. Проблема в том, что Вселенная в целом (даже в эпоху Большого взрыва) считается электрически нейтральной, поэтому ожидать появления массы первично заряженных чёрных дыр не приходится.
Однако ситуация может измениться, если предположить существование нового, неизвестного нам типа заряда — «тёмного заряда». Именно эту идею развивает новое исследование под руководством Джессики Сантьяго из Национального университета Тайваня, опубликованное в марте на сайте препринтов arXiv [arXiv.
Исследуя природу тёмной материи, некоторые теоретики выдвинули гипотезу о существовании целого «тёмного сектора» физики, зеркально отражающего наш привычный мир. В этом секторе могут существовать свои частицы и свои силы.
Например, по аналогии с обычными электронами, взаимодействующими через обмен фотонами (частицами света), могут существовать «тёмные электроны», взаимодействующие посредством «тёмных фотонов». Речь идёт не просто о новых частицах, а о совершенно новых фундаментальных взаимодействиях (силах природы), действующих скрыто от наших нынешних методов наблюдения.
Как «тёмный заряд» спасает первичные чёрные дыры
Команда Сантьяго пришла к выводу, если «тёмные электроны» были распространены в ранней Вселенной, они могли придать первичным чёрным дырам «тёмный заряд» таким образом, каким обычные не могут электроны.
Эти «тёмно-заряженные» первичные чёрные дыры обладали бы значительно продлённым сроком жизни, во много раз превышающим текущий возраст Вселенной. Это означает, что они могли бы сохраниться до наших дней и составлять ту самую тёмную материю, которую мы ищем.
Ключевой момент теории заключается в том, что самим «тёмным электронам» не обязательно существовать сейчас. Достаточно их присутствия в очень молодой Вселенной, чтобы они успели «зарядить» первичные чёрные дыры. После этого «тёмные электроны» и «тёмные фотоны» могли полностью исчезнуть, например, распавшись на другие частицы или став крайне разреженными из-за расширения Вселенной.
Главное — чтобы первичные чёрные дыры приобрели достаточный «тёмный заряд» для стабилизации и предотвращения быстрого испарения через излучение Хокинга. Таким образом, гипотеза позволяет объяснить существование ПЧД сегодня, не требуя постоянного присутствия экзотических «тёмных» частиц и сил в наблюдаемой нами Вселенной.
Это также объясняет, почему мы до сих пор не видели вспышек от испаряющихся ПЧД — у них просто ещё не было времени распасться.
Перспективы и вызовы
Эта гипотеза, безусловно, является спекулятивной (требующей подтверждения).
Однако её привлекательность в том, что исследователям удалось теоретически обосновать механизм, который позволяет первичным чёрным дырам:
- Сформироваться в ранней Вселенной.
- Получить достаточный «тёмный» заряд.
- Продлить свой срок жизни настолько, чтобы существовать до сих пор.
- Быть достаточно многочисленными, чтобы объяснить наблюдаемое количество тёмной материи.
Предстоит ещё очень много работы, чтобы хотя бы начать проверку этой идеи. Например, «тёмно-заряженные» первичные чёрные дыры не могут быть абсолютно невидимыми и невзаимодействующими, иначе у нас не будет никакой надежды их когда-либо обнаружить и подтвердить теорию. Следовательно, должны существовать какие-то способы их детектирования, пусть пока и не открытые.
Поиск таких наблюдательных сигнатур — важный следующий шаг. Но уже сейчас можно сказать, что эта работа добавляет ещё один интригующий аспект к нашему пониманию ранней Вселенной, показывая, что жизнь чёрных дыр могла быть гораздо сложнее, чем мы — и даже Стивен Хокинг — изначально предполагали.