Когда дело доходит до того, что первичные черные дыры подозреваются в темной материи, их алиби может развалиться. Крошечные черные дыры, созданные через несколько секунд после рождения Вселенной, могут существовать дольше, чем ожидалось, что вновь вызывает подозрения, что первичные черные дыры могут быть причиной темной материи, самого загадочного вещества Вселенной.
Темная материя в настоящее время представляет собой одну из наиболее актуальных проблем физики. Это потому, что, несмотря на то, что темная материя составляет примерно 85% материи в космосе, она остается фактически невидимой для наших глаз, поскольку она не взаимодействует со светом .
Поскольку частицы, из которых состоят атомы , составляющие «повседневный» материал, который мы видим, например звезды , планеты и наши собственные тела, явно взаимодействуют со светом, это побудило к поиску частиц темной материи за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Многие ученые считают, что ответ все еще может лежать в рамках Стандартной модели, однако, если мы рассмотрим миниатюрного родственника космических объектов, которые мы обычно считаем чрезвычайно массивными и даже чудовищными: черные дыры.
Недавнее изменение взглядов на то, как черные дыры «испаряются», не только привело к переоценке жизнеспособности первичных черных дыр как подозреваемых в темной материи, но и поскольку поиск частиц темной материи по-прежнему остается пустым, все больше исследователей могут начать взгляните на теорию темной материи первичных черных дыр более серьезно.
Что такое первичные черные дыры?
«Как следует из названия, «первичные черные дыры» — это тип черной дыры, которая сформировалась в начале Вселенной»
Все структуры, которые мы наблюдаем во Вселенной, от сверхскоплений галактик до галактик внутри самих себя, сформированы из небольших сверхплотностей в пространстве, существовавших во времена ранней Вселенной. Если бы ранняя Вселенная испытывала гораздо более сильные флуктуации плотности, чем те, которые создали эти особенности, и эти флуктуации коллапсировали раньше, чем действительно образовались галактики, то эти чрезмерно плотные участки могли бы стимулировать появление первичных черных дыр.
В зависимости от времени, когда этот коллапс мог произойти, а также от масштаба коллапса, эти первичные черные дыры будут иметь очень разные массы. Первичные черные дыры, будут иметь массу от нескольких тонн до тысячи тонн, если быть точным, что меньше массы планеты и больше в категории небольшого астероида.
Учитывая, что самые маленькие черные дыры, открытые учеными на сегодняшний день, известные как черные дыры звездной массы, имеют массу, эквивалентную 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) тонны — 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 Александр.
Маленькие первичные черные дыры ранее были исключены из числа кандидатов на темную материю, поскольку считается, что все черные дыры «испускают» тип теплового излучения, впервые выдвинутый Стивеном Хокингом в 1974 году и позже названный «излучением Хокинга».
Чем меньше черная дыра, тем быстрее она должна испускать излучение Хокинга и, следовательно, тем быстрее она должна испаряться. Это означает, что если первичные черные дыры когда-либо существовали, то их наименьших примеров сегодня не должно быть, а темная материя явно существует.
«Первичные черные дыры с массами, которые мы с Аной сейчас рассматриваем, ранее считались исключенными, поскольку предполагалось, что к этому времени они полностью испарились во Вселенной», — сказал Тосс.
Однако недавняя работа Георгия Двали, физика-теоретика из Мюнхенского университета, который сотрудничал с Тоссом и Фернандесом Александром, предположила, что процесс испарения в определенный момент прерывается. Это означает, что первичные черные дыры тех масс, которые, по мнению ученых, могли достичь полустабильного состояния.
«Чтобы уменьшить свою массу за счет излучения Хокинга, черная дыра должна «переписать» свою информацию или что-то еще. Этот процесс перезаписи требует времени», — объяснил Фернандес Александр. «Это называется «бремя памяти», потому что эту память теперь приходится передавать чему-то другому, и это просто замедляет процесс испарения в целом. Так что это своего рода стабилизация».
И этот «механизм спасения» означает, что первичные черные дыры снова стали потенциальными кандидатами на темную материю!
Точное свидетельство темной материи?
Однако тот факт, что первичные черные дыры могут существовать во Вселенной сегодня, не означает, что их сразу следует считать подозреваемыми в темной материи. На самом деле, есть и другие причины связывать эти крошечные гипотетические черные дыры с загадочным содержанием материи Вселенной.
Возможно, самая очевидная связь — это отсутствие взаимодействия темной материи со светом. Темная материя не излучает и не отражает свет, а горизонт событий, ограничивающий все черные дыры, представляет собой точку, в которой скорость убегания, необходимая для ее пересечения, превышает скорость света. Это означает, что первичные черные дыры будут «захватывать» весь падающий свет, что приведет к очевидному отсутствию взаимодействий.
«Если они достаточно легкие и где-то около планетарной массы, первичные черные дыры ведут себя как частицы темной материи для всех целей, которые нас интересуют», — сказал Тосс. «В стандартных моделях темная материя «без столкновений», поэтому частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом до такой степени, что это влияет на Вселенную».
Он добавил, что если первичные черные дыры легче планетарных масс, то даже в космических масштабах времени они будут настолько малы, что будут очень редко сталкиваться. Эти первичные черные дыры скорее могли бы группироваться, создавая гравитационные эффекты, которые мы сейчас приписываем темной материи, например, обеспечивая гравитационное влияние, которое предотвращает разлет быстро вращающихся галактик .
И все же, если первичным черным дырам приходится группироваться, чтобы учесть эффекты темной материи, что помешает этим черным дырам сблизиться и слиться, чтобы создать более крупные черные дыры? Не превратится ли скопление крошечных черных дыр в конечном итоге в одну огромную черную дыру? Тосс сказал, что это было расследовано, и ответ прост: «Нет».
«Даже если принять во внимание кластеризацию, временные рамки слияния настолько велики, что за весь возраст Вселенной они сольются только в действительно массивные черные дыры », — продолжил он.
Тосс добавил, что прелесть использования первичных черных дыр в качестве объяснения темной материи заключается в том, что, в отличие от предложения гипотетической частицы, такой как аксион, для объяснения тайны, первичные черные дыры не требуют расширения Стандартной модели физики элементарных частиц. лучшее объяснение Вселенной в субатомных масштабах, которое у нас есть.
Тем не менее, первичные черные дыры будет невероятно трудно подтвердить как темную материю, если они действительно объясняют это явление. Опять же, их светоулавливающая природа означает, что они практически невидимы. Кроме того, при таких крошечных размерах они не оказывают такого же огромного гравитационного воздействия, как их звездные и сверхмассивные собратья.
Даже в этом случае, если будет обнаружено скопление первичных черных дыр, не будет реального способа отличить множество маленьких черных дыр от одной большой черной дыры.
Несмотря на эту трудность, Тосс и Фернандес Александр намерены оставаться на хвосте первичных черных дыр — по крайней мере, теоретически. Если частицы-кандидаты на роль темной материи по-прежнему не проявляются, возможно, ответом будет заставить больше физиков начать искать метафорический барьер между физикой элементарных частиц и космологией.
«Я бы не сказал, что первичные черные дыры когда-либо отвергались как кандидаты в темную материю; хотя какое-то время их игнорировали», — сказал Фернандес Александре. «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 и более актуальным».