Гравитационные волны могут доказать квантовый эффект черных дыр и решить проблему темной материи
Спектр GW, полученный при фазовом переходе первого рода для различных масс PBH. Черные пунктирные контуры представляют области чувствительности из разных экспериментов. Автор: Phys. Rev. D 111, 023509 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.023509
Ма́сса — скалярная физическая величина, определяющая инертные и гравитационные свойства тел в ситуациях, когда их скорость намного меньше скорости света. В обыденной жизни и в физике XIX века масса синонимична весу.
Будучи тесно связанной с такими понятиями механики, как «энергия» и «импульс», масса проявляется в природе двумя качественно разными способами, что даёт основания для подразделения её на две разновидности:
инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в выражении второго закона Ньютона: если заданная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет различные тела, им приписывают одинаковую инертную массу;
гравитационная масса (пассивная и активная) показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними полями тяготения и какое гравитационное поле создаёт само это тело, она входит в закон всемирного тяготения и положена в основу измерения массы взвешиванием.
Однако экспериментально с высокой точностью установлена пропорциональность гравитационной и инертной масс, и подбором единиц они сделаны в теории равными друг другу. Википедия
Излуче́ние Хо́кинга — гипотетический процесс излучения чёрной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов; назван в честь Стивена Хокинга. Излучение Хокинга — главный аргумент учёных относительно распада (испарения) небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на БАК. На этом эффекте основана идея сингулярного реактора — устройства для получения энергии из чёрной дыры за счёт излучения Хокинга. Википедия
Но что такое излучение Хокинга? В квантовой механике квантовые флуктуации могут порождать виртуальные пары частиц из вакуума. Вблизи горизонта событий черной дыры одна частица упадет в черную дыру (и, по-видимому, не сможет вырваться), в то время как другая, находящаяся за пределами дыры, может улететь в бесконечность и стать «реальной». Исходящие кванты называются излучением Хокинга.
Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры.
Теоретическая возможность существования данных областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Википедия
Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры.
Теоретическая возможность существования данных областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Википедия
Физическая причина этого эффекта заключается в том, что информационная структура внутри черной дыры, записанная в режимах памяти, более энергетически благоприятна, чем режимы с большими промежутками снаружи, так что черная дыра имеет тенденцию становиться стабильной. Этот новый квантовый эффект имеет важные наблюдаемые последствия для первичных черных дыр и природы темной материи, которые мы сейчас обсудим.
Типы черных дыр
Чёрная дыра́ — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он представляет собой сферу с радиусом Шварцшильда, который считается характерным размером чёрной дыры.
Теоретическая возможность существования данных областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Википедия
Читайте также:Астрономы обнаружили в Млечном Пути новый загадочный объектАстрономы обнаружили старейшую из когда-либо наблюдавшихся черных дырЧерная дыра в центре нашей галактики изменяет пространство-время вокруг себяОбнаружена самая древняя черная дыра с массой в 10 миллионов раз больше, чем у нашего Солнца
Существует также гипотетический вид черных дыр, известный как первичная черная дыра (PBH). PBH образовались не в результате коллапса массивных мертвых звезд, а в очень ранней Вселенной, например, в результате коллапса достаточно больших космологических возмущений или коллапса шаров Ферми при сильном фазовом переходе первого рода. Эти частицы могут иметь очень широкий диапазон масс - от микроскопических черных дыр массой порядка 1 г до сверхмассивных черных дыр массой порядка 100 000 масс Солнца.
Темная материя
У нас есть убедительные астрофизические свидетельства как ранней, так и поздней Вселенной о том, что должно существовать нечто, называемое темной материей (ТМ). Это загадочное вещество доминирует в составе материи Вселенной сегодня и имеет решающее значение для формирования структуры, которая сделала возможным существование человека. Тем не менее, мы не видели никаких экспериментальных свидетельств присутствия этой неуловимой материи здесь, на Земле. Это поднимает серьезные вопросы о природе СД.
Если бы DM состоял из частиц, то такое же наблюдаемое количество DM означало бы, что таких частиц должно быть много, блуждающих по Вселенной, поэтому вероятность попадания этих частиц в наши детекторы на Земле очень высока. Но поскольку нам не удалось обнаружить DM на Земле, мы можем предположить, что, возможно, DM имеет форму какого-то компактного объекта с очень высокой плотностью энергии.
Это означает, что при одинаковом наблюдаемом количестве DM, DM сконцентрирован в этих компактных объектах, и, следовательно, вероятность столкновения этих объектов с Землей очень мала, потому что их не так много.
Если сложить все части воедино
Вот предложение: что, если DM состоит из PBH? Это очень естественная и убедительная возможность, потому что PBH ведут себя аналогично DM: они оба движутся медленно и взаимодействуют только под действием силы тяжести. Поскольку DM находится в высокой концентрации внутри PBH, это оправдывает нулевые результаты наземных экспериментов с DM, упомянутых ранее.
В последние десятилетия исследователи интенсивно изучали этот сценарий. Оказывается, что при стандартном полуклассическом расчете излучения Хокинга только частицы с массой в диапазоне от 1017 г до 1022 г могут составлять всю DM. Частицы, которые легче нижней границы, к настоящему времени испарились бы и, следовательно, не могут быть DM, потому что мы видим DM сегодня.
Однако новый эффект квантовой нагрузки на память, обсуждавшийся ранее, остановит испарение PBH по истечении времени полураспада. Этот квантовый эффект открывает новое окно массы ниже 1010 г, в котором PBH все еще могут существовать сегодня и составлять совокупность DM.
Вопрос в том, как подтвердить этот сценарий. Ответ заключается в использовании гравитационных волн (ГВ). ГВ - это колебания пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Формирование ГВ в ранней Вселенной потребовало бы резкого перемещения вещества или энергии, что, в свою очередь, вызвало бы соответствующие сигналы ГВ.
Моя статья, опубликованная в Physical Review D, показывает, что сигналы GW, связанные с формированием PBH, обремененных памятью, могут быть обнаружены в будущих экспериментах. В частности, я рассматривал PBH, образовавшиеся в результате инфляционного возмущения, и PBH, образовавшиеся в результате сильного фазового перехода первого рода.
Хотя GW, образующиеся в первом случае, достигают максимума на высокой частоте, которая несколько выходит за пределы целей наблюдения детекторов, GW, образующиеся во втором случае, прекрасно обнаруживаются. Как видно на рисунке выше, пик спектра GW приходится на частоту около 0,01–1 Гц с максимальной амплитудой порядка 10-9, что должно быть легко обнаружено в ходе предстоящих экспериментов, таких как LISA, BBO или ET.
Если мой предсказанный спектр GW будет обнаружен в будущем, это будет убедительным доказательством того, что эффект квантовой нагрузки на память из-за дырок верен и подтверждает идею о том, что PBH являются DM.
Эта статья является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных научных статей. Посетите эту страницу, чтобы узнать больше о Science X Dialog и о том, как принять в нем участие.
Дополнительная информация: Нго Фук Дук Лок, Гравитационные волны от обремененных темной материей первичных черных дыр, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.023509. В arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.17544
0 комментариев