Физики из Массачусетского университета в Амхерсте опубликовали новое исследование в журнале Physical Review Letters, предполагающее, что взрыв черной дыры может произойти в ближайшие десять лет. Десятилетиями ученые полагали, что подобные события чрезвычайно редки, возможно, случаются лишь раз в 100 000 лет. Новое исследование ставит под сомнение это предположение и утверждает, что вероятность может быть намного выше, а существующие телескопы для регистрации гамма-излучения уже способны зафиксировать такое событие, если оно произойдет.
Черные дыры, о которых идет речь в этом прогнозе, известны как первичные черные дыры (ПЧД). В отличие от обычных черных дыр, которые образуются при коллапсе массивных звезд в конце их жизни, первичные черные дыры — это гипотетические объекты, которые, как считается, сформировались менее чем через секунду после Большого взрыва, когда ранняя Вселенная была невообразимо горячей и плотной. Согласно космологии Большого взрыва, крошечные флуктуации плотности материи в те первые мгновения могли сколлапсировать под действием гравитации, создав черные дыры с массами, намного меньшими, чем у звездных черных дыр. Физики особенно заинтересованы в ПЧД, поскольку они могут сохранять информацию о младенческой Вселенной и даже составлять часть таинственной темной материи, которая, как полагают, составляет большую часть массы Вселенной.
Особую важность первичным черным дырам придает теория, называемая излучением Хокинга, предложенная Стивеном Хокингом в 1974 году. Излучение Хокинга возникает из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий черной дыры, где пары частиц могут кратковременно появляться вследствие флуктуаций в пустом пространстве. Одна частица может улететь, в то время как другая падает в черную дыру, заставляя черную дыру медленно терять энергию и массу. Этот процесс связывает два основных столпа современной физики — квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна — и остается одной из важнейших теоретических идей в космологии.
Теория предсказывает удивительный эффект: чем меньше становится черная дыра, тем горячее она нагревается. В результате крошечные первичные черные дыры будут испускать частицы все быстрее по мере своего сжатия. Этот процесс, известный как испарение черной дыры, со временем ускоряется в неудержимом цикле, пока черная дыра, наконец, не взорвется всплеском чрезвычайно энергичного излучения, особенно гамма-лучей. Хотя испарение для больших звездных черных дыр заняло бы гораздо больше времени, чем возраст Вселенной, легкие первичные черные дыры теоретически могут достигать своих финальных взрывных стадий уже сегодня.
Андреа Тамм, доцент физики Массачусетского университета в Амхерсте и соавтор исследования, пояснила: «Чем легче черная дыра, тем горячее она должна быть и тем больше частиц она будет испускать. По мере испарения ПЧД они становятся все легче и, следовательно, горячее, испуская еще больше излучения в неудержимом процессе до взрыва. Именно это излучение Хокинга могут обнаружить наши телескопы».
Обнаружение такого взрыва стало бы историческим научным прорывом. Оно предоставило бы первое прямое наблюдательное подтверждение излучения Хокинга, которое физики ищут десятилетиями. Это также стало бы первым подтвержденным доказательством того, что первичные черные дыры действительно существуют. Что еще более важно, излучение, испускаемое во время финального взрыва, может содержать свидетельства о каждой фундаментальной частице в природе. Сюда входят известные частицы, такие как электроны и кварки, но потенциально и неизвестные частицы, связанные с темной материей, или совершенно новые секторы физики, никогда ранее не наблюдавшиеся.
Исследование предлагает новое объяснение того, почему такие взрывы могут быть более наблюдаемыми, чем считалось ранее. Традиционно ученые предполагали, что взрывающиеся первичные черные дыры будут слишком редки и недолговечны для обнаружения современными телескопами. Однако исследователи представляют умозрительную модель, называемую моделью темной КЭД (квантовой электродинамики). Обычная квантовая электродинамика (КЭД) — это чрезвычайно успешная теория, описывающая взаимодействие света и электрически заряженных частиц посредством фотонов. Модель темной КЭД предполагает скрытую версию этой силы, включающую гипотетические темные частицы, в том числе темный фотон и тяжелый темный электрон.
В этой модели первичные черные дыры могут нести особый вид «темного» электрического заряда. Этот заряд временно стабилизирует черную дыру и замедляет ее испарение, позволяя ей существовать намного дольше, чем ожидалось. Однако в конечном итоге черная дыра разряжается и переходит в режим, схожий с поведением черной дыры Шварцшильда — простейшей теоретической модели черной дыры, впервые описанной физиком Карлом Шварцшильдом в 1916 году с использованием уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Черная дыра Шварцшильда обладает массой, но не имеет заряда или вращения, и физики часто используют ее в качестве базовой модели для понимания физики черных дыр.
По мнению исследователей, этот продленный срок жизни резко увеличивает вероятность наблюдения взрыва первичной черной дыры. Вместо события, происходящего раз в 100 000 лет, они оценивают, что существует более 90-процентный шанс обнаружить его в течение следующего десятилетия с помощью существующих гамма-телескопов. Гамма-астрономия фокусируется на электромагнитном излучении самой высокой энергии и особенно полезна для изучения бурных космических явлений, таких как испарение черных дыр, нейтронные звезды и сверхновые.
Если ученые действительно обнаружат такой взрыв, последствия выйдут далеко за рамки одних только черных дыр. Это может выявить совершенно новые частицы, дать представление о темной материи и открыть беспрецедентное окно в самые ранние моменты Вселенной сразу после Большого взрыва. Это также предоставит одну из самых ясных возможностей объединить квантовую механику с гравитацией — цель, которую физики преследуют почти столетие. Поскольку телескопы уже сканируют небо, исследователи теперь следят за тем, что может стать одним из важнейших открытий в истории современной физики.
Source: University of Massachusetts Amherst, APS
This article was generated with some help from AI and reviewed by an editor. Under Section 107 of the Copyright Act 1976, this material is used for the purpose of news reporting. Fair use is a use permitted by copyright statute that might otherwise be infringing.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
