Свидетельства существования первобытных чёрных дыр могут быть рядом

Иллюстрация небольших первичных черных дыр. На самом деле, таким крошечным черным дырам было бы трудно сформировать аккреционные диски, которые делают их видимыми здесь. Автор: NASA

Представьте себе образование черной дыры, и вы, вероятно, представите себе массивную звезду, у которой заканчивается топливо и она коллапсирует сама в себя. Однако хаотические условия ранней Вселенной, возможно, также привели к образованию множества маленьких черных дыр задолго до появления первых звезд.

Теории о существовании этих первичных черных дыр существуют уже несколько десятилетий, и они могут быть даже неуловимой темной материей, невидимой материей, на долю которой приходится 85% общей массы Вселенной.

Тем не менее, ни одна первичная черная дыра никогда не наблюдалась.

Новое исследование, проведенное совместно с Университетом в Буффало, предлагает рассматривать их как большие, так и малые объекты, чтобы подтвердить их существование, предполагая, что их признаки могут варьироваться от очень больших - полых планетоидов в космосе — до мельчайших микроскопических туннелей в обычных материалах, встречающихся на Земле, таких как камни, металл и стекло.

Теоретическое исследование, которое будет опубликовано в декабрьском номере журнала Physics of the Dark Universe и доступно онлайн уже сейчас, утверждает, что первичная черная дыра, заключенная в большом каменистом объекте в космосе, поглотила бы его жидкое ядро и оставила бы его пустым. С другой стороны, более быстрая первичная черная дыра может оставлять после себя прямые туннели, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, если они проходят сквозь твердый материал, включая материал прямо здесь, на Земле.

"Шансы обнаружить эти сигнатуры невелики, но для их поиска не потребуется много ресурсов, а потенциальная отдача - первое свидетельство существования первичной черной дыры - будет огромной", - говорит соавтор исследования Деян Стойкович, доктор философии, профессор физики Калифорнийского колледжа в Лос-Анджелесе. Искусства и науки. "Мы должны мыслить нестандартно, потому что все, что было сделано для поиска первичных черных дыр, ранее не срабатывало".

В ходе исследования было подсчитано, насколько большим мог бы быть полый планетоид, не разрушаясь сам по себе, и какова вероятность того, что первичная черная дыра пройдет сквозь объект на Земле. (Если вы беспокоитесь о том, что первичная черная дыра может пройти сквозь вас, не волнуйтесь. Исследование показало, что это не будет фатальным.)

"Из-за этих высоких коэффициентов мы сосредоточились на надежных оценках, которые существуют тысячи, миллионы или даже миллиарды лет", - говорит соавтор исследования Де-Чанг Дай, доктор философии из Национального университета Донг Хва и Университета Кейс Вестерн Резерв.

Размеры пустотелых объектов могут составлять не более 1/10 земной площади

Поскольку после Большого взрыва Вселенная быстро расширялась, плотность областей пространства могла быть выше, чем в окружающей ее среде, что привело к их коллапсу и образованию первичных черных дыр (PBH).

PBH имели бы гораздо меньшую массу, чем звездные черные дыры, которые позже образовались в результате умирания звезд, но они все равно были бы чрезвычайно плотными, подобно массе горы, сжатой в области размером с атом.

Стойкович, который ранее предлагал найти теоретические червоточины, задался вопросом, попадал ли когда-либо PBH в ловушку внутри планеты, Луны или астероида во время или после своего образования.

"Если объект имеет жидкое центральное ядро, то захваченный PBH может поглотить жидкое ядро, плотность которого выше плотности внешнего твердого слоя", - говорит Стойкович.

В таком случае PBH может покинуть объект, если на него упадет астероид, и от него не останется ничего, кроме пустой оболочки.

Но будет ли такая оболочка достаточно прочной, чтобы выдержать саму себя, или она просто разрушится под действием собственного напряжения? Сравнив прочность природных материалов, таких как гранит и железо, с поверхностным натяжением и поверхностной плотностью, исследователи подсчитали, что радиус такого полого объекта может составлять не более одной десятой радиуса Земли, что делает его более похожим на малую планету, чем на настоящую планету.

"Если он будет еще больше, то разрушится", - говорит Стойкович.

Эти полые объекты можно обнаружить с помощью телескопов. Массу и, следовательно, плотность можно определить, изучая орбиту объекта.

"Если плотность объекта слишком мала для его размера, это хороший признак того, что он полый", - говорит Стойкович.

Обычные объекты могут быть детекторами черных дыр

В исследовании предлагается, что для объектов без жидкой сердцевины PBH могут просто проходить сквозь них и оставлять за собой прямой туннель. Например, PBH массой 1022 грамма оставит за собой туннель толщиной 0,1 микрона.

Большая плита из металла или другого материала могла бы служить эффективным детектором черных дыр, отслеживая внезапное появление таких туннелей, но Стойович говорит, что у вас больше шансов найти существующие туннели в очень старых материалах — от зданий, которым сотни лет, до горных пород, которым миллиарды лет. старый.

Тем не менее, даже если предположить, что темная материя действительно состоит из PBH, они подсчитали, что вероятность прохождения PBH через валун возрастом в миллиард лет составляет 0,000001.

"Вы должны сравнить затраты с выгодой. Дорого ли это обходится? Нет, это не так, - говорит Стойкович.

Таким образом, вероятность того, что вы столкнетесь с ПБГ в течение жизни, по меньшей мере, невелика. Даже если бы это произошло, вы, вероятно, этого бы не заметили.

В отличие от камня, ткани человека имеют небольшое натяжение, поэтому ПБГ не разорвет их на части. И хотя кинетическая энергия ПБГ может быть огромной, она не может высвободиться во время столкновения, потому что движется очень быстро.

"Если снаряд движется в среде со скоростью, превышающей скорость звука, молекулярная структура среды не успевает отреагировать", - говорит Стойкович. "Если бросить камень в окно, оно, скорее всего, разобьется вдребезги. Если выстрелить в окно из пистолета, то, скорее всего, останется только дыра".

Необходимы новые теоретические основы

Теоретические исследования, подобные этому, имеют решающее значение, говорит Стойкович, отмечая, что многие физические концепции, которые когда-то казались неправдоподобными, теперь считаются вероятными.

Стойкович добавляет, что в настоящее время эта область сталкивается с рядом серьезных проблем, в том числе с темной материей. Последним крупным достижениям в этой области — квантовой механике и общей теории относительности — исполнилось сто лет.

«Самые умные люди на планете работали над этими проблемами в течение 80 лет и до сих пор не решили их», - говорит он. "Нам не нужно прямое расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура".

Большая энциклопедия: Де-Чанг Дай и др., "Поиск маленьких первичных черных дыр на планетах, астероидах и здесь, на Земле", «Физика темной Вселенной» (2024). DOI: 10.1016/j.dark.2024.101662

Источник: University at Buffalo