Новая модель призвана объяснить отсутствие миниатюрных черных дыр в ранней Вселенной

Исследование показывает, как флуктуации большой амплитуды, генерируемые в небольших масштабах, могут усиливать крупномасштабные флуктуации, наблюдаемые в космическом микроволновом фоне. Автор: 2024 ESA/Planck Collaboration, modified by Jason Kristiano CC-BY-ND

Исследователи из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU, WPI) Токийского университета применили хорошо понятную и хорошо проверенную квантовую теорию поля, обычно применяемую к изучение очень маленькой новой цели — ранней Вселенной.

Изучение Вселенной может оказаться непростой задачей, поэтому давайте убедимся, что мы все находимся на одной волне. Хотя детали неясны, общее мнение среди физиков состоит в том, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиардов лет, она началась с взрыва, быстро расширилась в период, называемый инфляцией, и где-то по пути перешла от однородной к содержащей детали и структуру.

Большая часть Вселенной пуста, но, несмотря на это, она кажется значительно тяжелее, чем можно объяснить тем, что мы видим — мы называем это несоответствие темной материей, и никто не знает, что это может быть, но появляются доказательства того, что это может быть быть черными дырами, особенно старыми.

«Мы называем их первичными черными дырами (ПЧД), и многие исследователи считают, что они являются сильными кандидатами на роль темной материи, но их должно быть много, чтобы удовлетворить эту теорию», — сказал аспирант Джейсон Кристиано.

«Они интересны и по другим причинам: с момента недавнего открытия гравитационно-волновой астрономии были открыты слияния двойных черных дыр, что можно объяснить, если ПЧД существуют в больших количествах. Но, несмотря на эти веские причины для их ожидаемого количества, мы не видели ничего напрямую, и теперь у нас есть модель, которая должна объяснить, почему это так».

Кристиано и его научный руководитель, профессор Дзюнъити Ёкояма, в настоящее время директор IPMU и RESCEU в Кавли, тщательно исследовали различные модели образования PBH, но обнаружили, что ведущие претенденты не согласуются с реальными наблюдениями космического микроволнового фона (CMB)., что является своего рода отпечатком пальца, оставшимся от взрыва Большого взрыва, обозначающего начало Вселенной. А если что-то не согласуется с достоверными наблюдениями, это либо не может быть правдой, либо в лучшем случае может нарисовать лишь часть картины.

В этом случае команда использовала новый подход, чтобы скорректировать ведущую модель формирования PBH на основе космической инфляции, чтобы она лучше согласовывалась с текущими наблюдениями и могла быть дополнительно подтверждена предстоящими наблюдениями земных обсерваторий гравитационных волн по всему миру.

«Вначале Вселенная была невероятно маленькой, намного меньше размера одного атома. Космическая инфляция быстро увеличила ее на 25 порядков. В то время волны, проходящие через это крошечное пространство, могли иметь относительно большие амплитуды, но очень Короткие волны Мы обнаружили, что эти крошечные, но сильные волны могут привести к необъяснимому усилению гораздо более длинных волн, которые мы видим в современном реликтовом излучении», — сказал Ёкояма.

«Мы полагаем, что это связано со случайными случаями когерентности между этими ранними короткими волнами, которые можно объяснить с помощью квантовой теории поля, самой надежной теории, которая у нас есть для описания повседневных явлений, таких как фотоны или электроны. Хотя отдельные короткие волны были бы относительно бессильны, сплоченные группы могли бы изменить форму волн, гораздо больших, чем они сами. Это редкий случай, когда теория чего-то на одном крайнем масштабе, кажется, объясняет что-то на противоположном конце шкалы».

Если, как предполагают Кристиано и Ёкояма, ранние мелкомасштабные флуктуации во Вселенной действительно влияют на некоторые из более крупномасштабных флуктуаций, которые мы видим в реликтовом излучении, это может изменить стандартное объяснение грубых структур во Вселенной. Но также, учитывая, что мы можем использовать измерения длин волн реликтового излучения, чтобы эффективно ограничить протяженность соответствующих длин волн в ранней Вселенной, это обязательно ограничивает любые другие явления, которые могут зависеть от этих более коротких и сильных длин волн. И здесь снова на помощь приходят PBH.

«Широко распространено мнение, что коллапс коротких, но сильных волн в ранней Вселенной — это то, что создает первичные черные дыры», — сказал Кристиано. «Наше исследование предполагает, что ПЧД должно быть гораздо меньше, чем необходимо, если они действительно являются сильными кандидатами на события темной материи или гравитационных волн».

На момент написания мировые обсерватории гравитационных волн LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии находятся в середине миссии наблюдения, целью которой является наблюдение за первыми небольшими черными дырами, вероятно, ПЧД. В любом случае результаты должны предоставить команде убедительные доказательства, которые помогут им усовершенствовать свою теорию.

Больше информации: Jason Kristiano, Jun'ichi Yokoyama, Constraining Primordial Black Hole Formation from Single-Field Inflation, Physical Review Letters (2024). arxiv.org/abs/2211.03395
Jason Kristiano, Jun'ichi Yokoyama, Note on the bispectrum and one-loop corrections in single-field inflation with primordial black hole formation, Physical Review D (2024). arxiv.org/abs/2303.00341 Больше информации: Jason Kristiano, Jun'ichi Yokoyama, Constraining Primordial Black Hole Formation from Single-Field Inflation, Physical Review Letters (2024). arxiv.org/abs/2211.03395
Jason Kristiano, Jun'ichi Yokoyama, Note on the bispectrum and one-loop corrections in single-field inflation with primordial black hole formation, Physical Review D (2024). arxiv.org/abs/2303.00341

Источник: University of Tokyo