Горизонт событий чёрной дыры равен её квантово-механическому размеру, так называемой комптоновской длине волны, если её масса составляет 22 микрограмма, что эквивалентно 13 квинтиллионам (примерно 10¹⁹) протонов. Для такой чёрной дыры квантовая механика так же важна, как и гравитация. Поскольку у нас нет предсказательной теории, объединяющей квантовый мир с эйнштейновским описанием гравитации как искривления пространства-времени, мы не знаем, какова судьба этих крошечных чёрных дыр.
В 1974 году Стивен Хокинг показал, что мини-чёрные дыры быстро испаряются, испуская тепловое излучение. Однако температура чёрных дыр с массой Планка равна планковской температуре, которая считается высшей энергией, достижимой в природе. В результате возможно, что планковские чёрные дыры стабильны и не могут распадаться. В этом случае, могут ли они быть тёмной материей? Этот вопрос впервые был поднят в статье Дж. Х. МакГиббона в 1987 году.
Сечение взаимодействия планковских чёрных дыр соответствует квадрату планковской длины, порядка 3×10⁻⁶⁵ квадратных сантиметров (выражается как 2Gh/c³, где G — гравитационная постоянная Ньютона, h — постоянная Планка, а c — скорость света). Это ничтожное сечение взаимодействия приводит к крайнему уровню "стерильности", что делает планковские чёрные дыры жизнеспособными кандидатами на роль тёмной материи.
Чтобы объяснить наличие тёмной материи, необходимо, чтобы приходилась одна планковская чёрная дыра на 10²⁷ фотонов реликтового микроволнового фона. Обратная величина этого огромного числа требует крайне низкой эффективности преобразования излучения в планковские чёрные дыры в ранней Вселенной. Например, тёмная материя могла бы быть реликтом от популяции мини-чёрных дыр с большей массой, которые испарились на ранних этапах развития Вселенной, оставив после себя планковские чёрные дыры как остатки.
Чтобы соответствовать динамике Млечного Пути, тёмная материя должна иметь локальную массовую плотность, эквивалентную 0,4 массы протона на кубический сантиметр. Это означает, что через наше тело должна проходить одна планковская чёрная дыра в год. Такие прохождения представляют собой ничтожную угрозу для здоровья из-за крайне малого сечения взаимодействия, которым обладают эти крошечные чёрные дыры. Существующие эксперименты по поиску тёмной материи устанавливают слабые верхние пределы на сечение взаимодействия таких крошечных чёрных дыр.
Планковские чёрные дыры могли бы быть реликтами фазовых переходов или распадов тяжёлых полей в ранней Вселенной. В 1971 году Стивен Хокинг предположил, что первичные чёрные дыры могли бы обладать электрическим зарядом. Однако позже Г. В. Гиббонс показал, что любой такой заряд создавал бы гигантское электрическое поле, которое привело бы к потере заряда чёрной дырой вследствие неизбежного производства пар электрон-позитрон — эффект, рассчитанный Джулианом Швингером в 1951 году. Впоследствии были предложены и другие причины рассматривать заряженные реликты.
Могут ли крошечные чёрные дыры наращивать массу, аккрецируя вещество? Как я показал в недавней статье, аккреция обычного вещества на такие чёрные дыры сильно подавляется квантовыми эффектами, поскольку размер их горизонта событий намного меньше квантово-механического размера атомного ядра. Трудно засунуть полного заключённого в крошечную камеру.
Мы должны с уважением признать, что после 90 лет наблюдений за небом и поиска тёмной материи в лабораториях мы всё ещё не знаем природу 85% материи Вселенной. Мы состоим из оставшихся 15%, которые мы называем "обычной материей", но существует целый неизвестный сектор Вселенной, невидимый для нас. Эта ситуация подобна наблюдению спектакля, в котором главные герои невидимы и призрачны, и мы можем лишь догадываться об их существовании, наблюдая поведение небольшого числа видимых актёров. На этом фоне наш опыт в исследовании тёмного сектора крайне поверхностен. Если невидимая материя порождает невидимые звёзды, планеты и формы жизни, то, исследуя актёров только через их гравитационное влияние на видимую материю, мы упускаем основную часть происходящего во Вселенной.
Тем не менее, у нас есть шанс узнать больше в будущем. В недавней статье я показал, что обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA обладают достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационного сигнала от скрытных космических аппаратов массой более ста тысяч тонн, движущихся рядом с Землёй со скоростью, близкой к скорости света. Будущие обсерватории гравитационных волн, такие как лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), расширят эту чувствительность к меньшим массам и скоростям и позволят нам узнать больше о тёмном секторе космоса.
Однако если тёмная материя действительно состоит из крошечных чёрных дыр, возможно, мы никогда не сможем обнаружить их напрямую.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos