Как римская миссия НАСА будет охотиться за первичными черными дырами

Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут медленно сжиматься по мере выхода радиации. Медленная утечка того, что сейчас известно как излучение Хокинга, со временем приведет к простому испарению черной дыры. На этой инфографике показаны предполагаемые времена жизни и горизонт событий — точка, после которой падающие объекты не могут вырваться из гравитационного захвата черной дыры, — диаметры черных дыр разного размера. Автор: NASA's Goddard Space Flight Center

Астрономы обнаружили черные дыры массой от нескольких солнечных до десятков миллиардов. Теперь группа ученых предсказала, что римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс сможет обнаружить класс «легких» черных дыр, которые до сих пор ускользали от обнаружения.

Сегодня черные дыры образуются либо при коллапсе массивной звезды, либо при слиянии тяжелых объектов. Однако ученые подозревают, что меньшие «первичные» черные дыры, в том числе с массой, близкой к земной, могли образоваться в первые хаотические моменты ранней Вселенной.

«Обнаружение популяции первичных черных дыр земной массы было бы невероятным шагом как для астрономии, так и для физики элементарных частиц, поскольку эти объекты не могут быть сформированы каким-либо известным физическим процессом», — сказал Уильям ДеРокко, постдокторант Калифорнийского университета в Санта-Клаусе. Круз, который провел исследование о том, как Роман мог их раскрыть.

Статья с описанием результатов была опубликована в журнале Physical Review D. «Если мы их найдем, это встряхнет область теоретической физики».

Рецепт первичной черной дыры

Самые маленькие черные дыры, образующиеся в наши дни, рождаются, когда у массивной звезды заканчивается топливо. Его внешнее давление ослабевает по мере того, как прекращается ядерный синтез, поэтому внутреннее гравитационное притяжение выигрывает в перетягивании каната. Звезда сжимается и может стать настолько плотной, что превратится в черную дыру.

Но требуется минимальная масса: как минимум в восемь раз больше массы нашего Солнца. Более легкие звезды станут либо белыми карликами, либо нейтронными звездами.

Однако условия в самой ранней Вселенной могли позволить образоваться гораздо более легким черным дырам. Человек, весящий массу Земли, имел бы горизонт событий (точку невозврата для падающих объектов) шириной примерно с десятицентовую монету США.

Хотя теория предсказывает, что самые маленькие из них должны испариться до того, как Вселенная достигнет своего нынешнего возраста, те, у кого масса аналогична земной, могли бы выжить.

Открытие этих крошечных объектов окажет огромное влияние на физику и астрономию.

«Это повлияет на все: от формирования галактик до содержания темной материи во Вселенной и космической истории», — сказал Кайлаш Саху, астроном из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который не участвовал в исследовании. «Подтверждение их личности будет тяжелой работой, и астрономам придется много убеждать, но оно того стоит».

Намеки на скрытых поселенцев

Наблюдения уже выявили признаки того, что такие объекты могут скрываться в нашей галактике. Первичные черные дыры были бы невидимы, но морщины в пространстве-времени помогли найти некоторых возможных подозреваемых.

Микролинзирование — это наблюдательный эффект, который возникает из-за того, что присутствие массы искажает ткань пространства-времени, подобно отпечатку, который оставляет шар для боулинга, когда его устанавливают на батуте. Каждый раз, когда с нашей точки зрения кажется, что промежуточный объект дрейфует рядом с фоновой звездой, свет звезды должен пересечь искривленное пространство-время вокруг объекта. Если расположение особенно близко, объект может действовать как естественная линза, фокусируя и усиливая свет звезды на заднем плане.

Отдельные группы астрономов, использующие данные MOA (Наблюдения за микролинзированием в астрофизике) – сотрудничества, которое проводит наблюдения за микролинзированием с использованием обсерватории Университета Маунт-Джон в Новой Зеландии – и OGLE (Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию) обнаружили неожиданно большую популяцию изолированных Объекты земной массы.

Теории формирования и эволюции планет предсказывают определенные массы и изобилие планет-изгоев – миров, бродящих по галактике, не привязанных к звезде. Наблюдения MOA и OGLE показывают, что по галактике дрейфует больше объектов земной массы, чем предсказывают модели.

«Невозможно отличить черные дыры земной массы от планет-изгоев в каждом конкретном случае», — сказал ДеРокко. Но ученые ожидают, что Роман найдет в 10 раз больше объектов в этом диапазоне масс, чем наземные телескопы. «Роман будет чрезвычайно силен в различении этих двух статистических данных».

ДеРокко возглавил попытку определить, сколько планет-изгоев должно находиться в этом диапазоне масс и сколько первичных черных дыр Роман мог различить среди них.

Обнаружение первичных черных дыр открыло бы новую информацию об очень ранней Вселенной и позволило бы с уверенностью предположить, что ранний период инфляции действительно имел место. Это также могло бы объяснить небольшой процент загадочной темной материи, которая, по словам ученых, составляет основную часть массы нашей Вселенной, но которую до сих пор не удалось идентифицировать.

«Это захватывающий пример того, что дополнительные ученые могут сделать с данными, которые Роман уже собирается получить в ходе поиска планет», — сказал Саху. «И результаты интересны, найдут ли ученые доказательства существования черных дыр земной массы. В любом случае это укрепит наше понимание Вселенной».

Больше информации: William DeRocco et al, Revealing terrestrial-mass primordial black holes with the Nancy Grace Roman Space Telescope, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.023013. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2311.00751

Источник: NASA