В этот самый момент, пока вы читаете эти строки, триллионы призрачных частиц проходят сквозь ваше тело со скоростью света. Большинство из них — обычные космические нейтрино с невысокой энергией. Но изредка, возможно раз в десятилетие, через Землю пролетает нечто совершенно экстраординарное — нейтрино с энергией, в миллион миллиардов раз превышающей энергию видимого света. Источник этих космических монстров десятилетиями оставался загадкой. И вот ученые из MIT предложили просто сногсшибательную гипотезу: эти частицы-мутанты могут быть последним предсмертным криком микроскопических черных дыр, которые взрываются в нашем космическом заднем дворе, возможно, прямо сейчас.
Когда детектор словил монстра
В феврале 2023 года научное сообщество испытало нечто вроде коллективного инфаркта. Детектор нейтрино KM3NeT, расположенный на дне Средиземного моря, зарегистрировал частицу с поистине абсурдной энергией в 220 петаэлектронвольт (ПэВ). Чтобы вы понимали масштаб: это самая энергичная субатомная частица, когда-либо зарегистрированная людьми. Для сравнения, Большой адронный коллайдер, эта многомиллиардная игрушка физиков, разгоняет протоны "всего лишь" до энергии 13 ТэВ, что в 17 раз меньше!
"И что с того?" — скажет обыватель. "Ну, поймали они свою субатомную бяку, дальше-то что?" А дальше начинается настоящее научное безумие. Ведь стандартные астрофизические модели не могут объяснить происхождение таких частиц. Блазары, нейтронные звезды, активные ядра галактик — все эти космические тяжеловесы разводят руками (если бы они у них были) и говорят: "Не-а, это не мы. Мы на такое не способны."
И тут на сцену выходят первичные черные дыры (ПЧД) — гипотетические объекты, которые теоретики вроде Стивена Хокинга и Яакова Зельдовича предсказали еще в 1970-х годах. В отличие от "обычных" черных дыр, возникающих при коллапсе звезд, эти малыши родились в первые мгновения после Большого взрыва, когда плотность Вселенной была так велика, что даже небольшие флуктуации плотности могли схлопнуться в микроскопические черные дыры.
Я уже слышу ваши мысленные вопли: "Опять эти физики-теоретики со своими игрушками! Сначала придумали невидимую темную материю, потом темную энергию, теперь вот микроскопические черные дыры! Что дальше? Вселенная на спине гигантской черепахи?" Но не спешите с выводами, потому что эта история становится еще более странной.
Темная материя в астероидной упаковке
Вот уже десятилетия астрономы чешут затылки, пытаясь понять, из чего состоит темная материя — это таинственное вещество, которое составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но отказывается взаимодействовать с чем-либо, кроме гравитации. Среди десятков кандидатов — от гипотетических частиц ВИМПов до аксионов — первичные черные дыры выглядят как темная лошадка, внезапно вырвавшаяся вперед.
Исследования последних лет показывают, что если масса этих первичных черных дыр находится в так называемом "астероидном диапазоне" — от 10^17 до 10^23 граммов (примерно от массы небольшой горы до массы среднего астероида), то они могут составлять значительную часть или даже всю темную материю во Вселенной. Для сравнения, масса Солнца — это 2×10^33 граммов, так что мы говорим о черных дырах в триллионы раз легче нашего светила.
Звучит безумно? Ха! Мы только начинаем погружаться в кроличью нору.
Как черная дыра может взорваться?
А теперь держитесь крепче за свои кресла, потому что мы собираемся поговорить о том, как объект, из которого теоретически ничто не может вырваться, способен... взорваться.
В 1974 году молодой и еще не всемирно известный Стивен Хокинг вывел уравнения, показывающие, что черные дыры не совсем черные. На квантовом уровне пространство-время вблизи горизонта событий дыры становится настолько искривленным, что виртуальные частицы и античастицы, постоянно возникающие из вакуума, могут быть разделены. Одна частица падает в дыру, а другая улетает прочь, унося с собой энергию. Эта энергия приходит от самой черной дыры, заставляя ее медленно испаряться.
Вот тут-то и начинается самое интересное! Чем меньше масса черной дыры, тем выше ее температура и тем быстрее она испаряется. Для огромных черных дыр, возникших при коллапсе звезд, этот процесс протекает настолько медленно, что они будут испаряться триллионы и триллионы лет. Но для микроскопических первичных черных дыр с астероидной массой время испарения сопоставимо с возрастом Вселенной — около 13,8 миллиарда лет.
И вот представьте: первичная черная дыра массой около 5×10^14 граммов (примерно как средняя гора) должна заканчивать свое испарение прямо сейчас! По мере того как она теряет массу, ее температура взлетает до невообразимых значений, и в последние секунды своей жизни она испускает фонтан частиц сверхвысоких энергий, включая наши загадочные нейтрино.
Это не постепенное угасание, а настоящий космический фейерверк — всю оставшуюся массу черная дыра выплевывает в пространство за доли секунды. В финальном "взрыве" энергии частиц приближаются к планковскому масштабу — 2,43×10^18 ГэВ, что в квадриллионы раз больше энергии, доступной в земных ускорителях. Рядом с этим даже энергия в 220 ПэВ кажется мелочью!
Нейтрино из умирающих черных дыр
Исследователи из MIT, Александра Клипфель и Дэвид Кайзер, проделали титаническую работу, рассчитав, сколько нейтрино и какой энергии должно вылетать из взрывающейся черной дыры. Результаты просто поражают: одна испаряющаяся черная дыра массой около 10^7 граммов (примерно как большой военный корабль) может испустить около 10^24 нейтрино с энергией выше 1 ПэВ и около 10^20 нейтрино с энергией выше 60 ПэВ.
Конечно, такие события должны быть чрезвычайно редкими. Ученые подсчитали, что для объяснения наблюдаемого потока высокоэнергетических нейтрино, зарегистрированных детектором IceCube, требуется примерно 1410 взрывов первичных черных дыр на кубический парсек в год в окрестностях Солнечной системы. Это может показаться большим числом, но учитывая, что один кубический парсек — это объем пространства со стороной более трех световых лет, на самом деле это означает, что такие взрывы происходят исключительно редко.
Как же тогда объяснить супермощное нейтрино в 220 ПэВ, пойманное KM3NeT? Согласно расчетам, вероятность того, что по крайней мере одна первичная черная дыра взорвется достаточно близко к Земле, чтобы нейтрино такой энергии могло быть зарегистрировано за последние 14 лет наблюдений, составляет около 7,6%. Не очень высокие шансы, но и не пренебрежимо малые!
"Подождите-ка, — скажет скептик, — 7,6% вероятности? Да ведь это означает, что скорее всего такого события не произошло бы!" И будет прав. Но наука не работает с абсолютными истинами. Мы имеем дело с гипотезами, которые могут объяснить наблюдаемые данные с определенной вероятностью. И гипотеза о первичных черных дырах как источниках сверхвысокоэнергетических нейтрино оказывается удивительно согласованной с наблюдениями.
Темная материя взрывается под нашими носами
Если гипотеза верна, то мы живем в по-настоящему сюрреалистическом мире. Темная материя, которая таинственно окружает нас и пронизывает всю галактику, оказывается не статичной и вечной, а динамичной и смертной. Маленькая часть темной материи постоянно взрывается вокруг нас, превращаясь в фонтаны сверхэнергичных частиц.
Разве это не прекрасная метафора для нашего собственного общества? Незаметные для большинства "черные дыры" социальной несправедливости, копившиеся веками, внезапно "взрываются" в виде революций, потрясающих основы. Или "темная материя" бюрократии, которая незаметно растет вокруг нас, пока однажды не коллапсирует под собственной тяжестью.
Научное сообщество, конечно, относится к подобным гипотезам с изрядной долей скептицизма. И правильно делает! Наука — это не система верований, а метод познания, основанный на сомнении и проверке. Но нельзя не отметить ироничность ситуации: десятилетиями физики искали экзотические частицы темной материи, строили гигантские детекторы глубоко под землей, а ответ, возможно, был буквально над нашими головами в виде крошечных взрывающихся черных дыр.
Впрочем, не будем спешить с выводами. Наука движется маленькими шагами, и каждая гипотеза должна пройти суровое испытание наблюдениями. В ближайшие годы детекторы нейтрино станут еще более чувствительными, а новые гамма-телескопы, такие как Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), смогут искать следы взрывов первичных черных дыр напрямую.
Что нам это дает?
Так что же все это значит для нас, простых смертных, озабоченных больше ценами на бензин и жилье, чем космическими взрывами? Возможно, больше, чем кажется на первый взгляд.
Во-первых, это потенциально решает одну из величайших загадок современной физики — природу темной материи. Если значительная часть темной материи действительно состоит из первичных черных дыр, то нам не нужны гипотетические новые частицы или модификации гравитации — достаточно хорошо известной общей теории относительности Эйнштейна.
Во-вторых, это дает нам уникальное окно в самые ранние моменты существования Вселенной. Первичные черные дыры — это своеобразные капсулы времени, сохранившиеся с первых мгновений после Большого взрыва. Изучая их, мы изучаем условия, которые существовали, когда нашей Вселенной было всего 10^-21 секунды от роду!
И наконец, это напоминает нам, насколько странной, неожиданной и удивительной может быть реальность. В мире, где все чаще торжествуют упрощенные объяснения и клиповое мышление, наука продолжает открывать перед нами бездны сложности и красоты. Кто бы мог подумать, что решение загадки темной материи и сверхэнергичных нейтрино может заключаться в квантовых взрывах, происходящих в космической пустоте?
В конце концов, независимо от того, подтвердится эта гипотеза или нет, она демонстрирует удивительную взаимосвязь между самым большим (космологическими масштабами темной материи) и самым маленьким (квантовыми эффектами вблизи горизонта событий). А там, где встречаются крайности, часто рождаются самые глубокие прозрения о природе реальности.
Так что в следующий раз, когда вы посмотрите на ночное небо, помните: возможно, прямо сейчас где-то над вашей головой крошечная черная дыра заканчивает свой 13,8-миллиардный жизненный путь в яростной вспышке энергии, посылая призрачных вестников своей гибели через всю галактику. И некоторые из них могут пролететь прямо сквозь вас, незаметно напоминая о чудесах, которые происходят за пределами нашего повседневного восприятия.