Открытие первичных черных дыр может ответить на множество нерешенных вопросов, таких как природа темной материи и то, как синтезируются тяжелые элементы, помимо сокрытия целых пузырьковых вселенных. Еще до того, как звезды и галактики начали формироваться в ранней Вселенной, некоторые исследователи полагают, что космос мог быть занят множеством крошечных исходных черных дыр. Эти чисто гипотетические дыры образовались бы радикально иным образом, чем более крупные и знакомые черные дыры, существование которых подтвердили физики, космологи и астрономы.
Что сегодня изучают исследователи
В то время как более крупные черные дыры формируются в результате гибели массивных звезд, изначальные черные дыры должны были родиться сразу после Большого взрыва, когда области с высокой плотностью подверглись гравитационному коллапсу. Несмотря на долгую историю теоретической физики, исходные черные дыры «вышли из моды» до недавнего времени.
Сегодня исследователи из Института математики и физики Вселенной им. Кавли (ИПМУ «Кавли»), в том числе члены ИПМУ «Кавли» Александр Кусенко, Мисао Сасаки, Сугияма Сунао, Масахиро Такада и Владимир Тахистов, изучают возможность существования этих объектов во Вселенной.
Выводы ученых
Команда считает, что открытие исходных черных дыр может указывать на потенциальную мультивселенную, в которой наряду с нашей рождаются другие дочерние вселенные. Это означает, что за горизонтом событий — точкой, в которую не может ускользнуть даже свет – этих начальных черных дыр может скрываться целая Вселенная, которую мы не можем видеть. Выводы ученых задокументированы в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Кстати, помимо открытия самих этих ранних черных дыр, такое исследование могло бы ответить на вопросы, связанные со многими давними и загадочными аспектами физики.
Первозданные черные дыры
Команда считает, что существование исходных черных дыр может объяснить небольшое количество гравитационных волн, обнаруженных интерферометром LIGO/VIRGO. До недавнего времени это было исключено, так как существующие бинарные пары начальных черных дыр должны приводить к большему количеству гравитационно-волновых сигналов, что мы сейчас обнаруживаем.
Недавние исследования начали показывать, как исходные черные дыры могли существовать и по-прежнему генерировать сигналы гравитационных волн, соответствующие количеству, обнаруженному в LIGO. Такие объекты могут даже объяснить, как синтезируются некоторые тяжелые элементы. Если исходные черные дыры существуют, они могут либо столкнуться с нейтронными звездами, уничтожив их, либо привлечь центры таких звездных остатков и «съесть» их изнутри. Любой из этих процессов приведет к высвобождению богатого нейтронами материала.
Синтез тяжелых элементов в течение некоторого времени озадачивал астрофизиков, поскольку процессы, стоящие за ним, зависят от наличия большого количества нейтронов, а это означает, что исходные черные дыры могут играть ключевую роль в обеспечении таких богатых нейтронами условий.
Часть темной материи
Исследование группы может также показать, являются ли исходные черные дыры частью темной материи — загадочного вещества, которое составляет от 80 до 90 % от общего содержания вещества во Вселенной. Идея о том, что начальные черные дыры могут объяснять темную материю или, по крайней мере, ее часть, не нова. Но, как и обсуждение самих этих объектов, теории, связывающие их с темной материей, также потеряли популярность в последние годы.
Чтобы отыскать первичные черные дыры, команда «Калви» использовала Hyper Suprime-Cam (HSC) 8,2-метрового телескопа Subaru, гигантскую цифровую камеру на вершине горы Мауна-Кеа (Гавайи), для изучения ранней Вселенной в поисках подсказок.
Поиски изначальных черных дыр в ранней Вселенной
Поскольку ранняя Вселенная была весьма плотной, для создания черной дыры потребовалось лишь небольшое колебание плотности, около 50 %. Это означает, что хотя гравитационные возмущения, создавшие галактики, были намного меньше этого показателя, в раннем космосе есть множество событий, которые могли вызвать начало генезиса.
Одним из таких процессов могло бы стать создание маленькой дочерней вселенной, ответвленной от нашей собственной вселенной в начальный период ее быстрой инфляции. Если эта дочерняя вселенная схлопнется, в ее небольшом объеме будет высвобождаться огромное количество энергии, что приведет к образованию крошечной черной дыры.
Однако идея ветвления вселенных становится еще более странной, если одна из младенческих вселенных достигнет и превысит критический размер. Общая теория относительности предполагает, что, если бы это произошло, рассматриваемая Вселенная существовала бы в состоянии, которое изнутри выглядит иначе, чем снаружи. Наблюдатель из дочерней вселенной увидел бы ее как расширяющуюся Вселенную, в то время как человек за пределами горизонта событий отслеживал бы лишь черную дыру. Это означает, что в обоих случаях горизонт событий изначальной черной дыры скрывает ее внутреннюю структуру — и всю Вселенную.
В документе группы говорится о сценарии, в котором начальные черные дыры создаются путем зарождения того, что ученые называют «ложными вакуумными пузырями». Тот факт, что исходные черные дыры до сих пор не были обнаружены, указывает на то, что понадобится чрезвычайно мощный инструмент, чтобы увидеть Вселенную таким образом, чтобы можно было обнаружить эти маскирующие объекты мультивселенной. К счастью, HSC отвечает всем требованиям.
Hyper Suprime-Cam видит общую картину
Благодаря своей уникальной способности отображать всю галактику Андромеды каждые пару минут, HSC может стать идеальным инструментом для захвата исходных черных дыр. Эта картинка может быть достигнута с помощью гравитационного линзирования — искривления света объектом большой массы.
Поскольку изначальная черная дыра проходит по лучу зрения к яркому объекту, например, к звезде, кривизна, которую она вызывает в пространстве-времени, приводит к мгновенному осветлению объекта или очевидному смещению положения. Чем больше масса, тем сильнее кривизна и, следовательно, сильнее эффект. А это означает, что астрономы могут измерить массу линзирующего объекта. Однако этот эффект длится очень короткое время.
Поскольку HSC может видеть всю галактику, он может одновременно наблюдать до 100 млн звезд, что дает астрономам хороший шанс поймать проходящую первичную черную дыру. Команда уже определила главного кандидата в «мультивселенную», скрывающую изначальную черную дыру, в первом запуске наблюдений HSC. Масса объекта была примерно равна массе Луны, и это вдохновило команду на проведение дальнейших наблюдений, расширив тем самым поиск. Возможно, уже найдено решение некоторых из самых насущных загадок физики.