13.05.2024. - Поиск крошечных черных дыр от Большого взрыва

Поиск крошечных черных дыр от Большого взрыва

Неделя черных дыр в самом разгаре, и, чтобы отпраздновать это событие, НАСА рассказало, как его следующий крупный астрономический инструмент, космический телескоп НАСА "Нэнси Грейс Роман", будет искать крошечные черные дыры, которые возникли после Большого взрыва. Когда мы думаем о черных дырах, мы склонны представлять себе огромных космических монстров, таких как черные дыры звездной массы, масса которых в десятки-сотни раз превышает массу Солнца. Мы можем даже представить себе сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы (или даже миллиарды) раз превышает массу Солнца, расположенные в центре галактик и доминирующие в их окружении. Тем не менее, ученые предполагают, что Вселенная также может быть населена гораздо менее массивными черными дырами, имеющими относительно небольшой вес и массу, примерно равную массе Земли. Потенциально эти черные дыры могут иметь массу, равную массе крупного астероида. Ученые также предполагают, что такие черные дыры существовали с незапамятных времен, около 13,8 миллиардов лет назад. Эти черные дыры, получившие удачное название "первичные черные дыры", остаются чисто теоретическими, но проект Roman, запуск которого запланирован на конец 2026 года, может изменить это.

"Обнаружение популяции первичных черных дыр массой с Землю стало бы невероятным шагом как для астрономии, так и для физики элементарных частиц, потому что эти объекты не могут образоваться в результате какого-либо известного физического процесса", - говорит Уильям Дерокко, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крузе, возглавлявший команду, изучавшую, как Роман смог обнаружить эти древние дыры. "Если мы их найдем, это потрясет область теоретической физики", - говорится в заявлении. Самыми маленькими черными дырами, существование которых когда-либо подтверждалось, являются черные дыры звездной массы, которые образуются, когда в ядрах массивных звезд заканчивается топливо, необходимое для ядерного синтеза. Как только такой синтез прекращается, эти звезды коллапсируют под действием собственной гравитации. Как правило, минимальная масса, необходимая звезде, чтобы оставить после себя черную дыру звездной массы, в восемь раз превышает массу Солнца — еще немного, и звезда закончит свою жизнь в виде нейтронной звезды или тлеющего белого карлика.

Однако условия во Вселенной на заре ее существования сильно отличались от условий современной эпохи. Когда космос находился в горячем, плотном и турбулентном состоянии, это могло привести к коллапсу гораздо меньших скоплений материи и образованию черных дыр. Все черные дыры "начинаются" на внешней границе, называемой "горизонтом событий", точке, за которой даже свет не может избежать их гравитационного воздействия. Расстояние до горизонта событий от центральной сингулярности черной дыры, бесконечно плотной точки, в которой нарушаются все законы физики, определяется массой черной дыры. Это означает, что в то время как горизонт событий сверхмассивной черной дыры M87*, масса которой примерно в 2,4 миллиарда раз превышает массу Солнца, имеет диаметр около 15,4 миллиарда миль (24,8 миллиарда километров), черная дыра звездной массы с массой 30 солнц будет иметь горизонт событий. всего около 110 миль в ширину (177 километров в ширину). С другой стороны, у первичной черной дыры массой с Землю горизонт событий был бы не шире десятицентовика. У первичной черной дыры с массой астероида горизонт событий был бы шириной меньше протона.

Ученые, поддерживающие концепцию первичных черных дыр, считают, что они могли возникнуть, когда Вселенная подверглась первоначальному раздуванию, которое мы назвали Большим взрывом. Поскольку космос распространялся со скоростью, превышающей скорость света (это возможно, потому что, хотя ничто не может двигаться быстрее света в космосе, само пространство может двигаться быстрее), ученые предполагают, что области, более плотные, чем их окружение, могли сжаться, породив черные дыры малой массы. Однако многие исследователи не поддерживают концепцию существования первичных черных дыр в современной Вселенной, и это из-за Стивена Хокинга. Одна из самых революционных теорий Стивена Хокинга предполагала, что даже черные дыры не могут существовать вечно. Великий физик считал, что черные дыры "испускают" тепловое излучение, которое позже назвали "излучением Хокинга" в его честь. Когда черные дыры пропускают излучение Хокинга, они теряют массу и в конечном итоге взрываются. Чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она должна пропускать излучение Хокинга. Это означает, что для сверхмассивных черных дыр этот процесс занял бы больше времени, чем время существования Вселенной. Но крошечные черные дыры просачивались бы гораздо быстрее и, следовательно, должны были бы погибнуть гораздо быстрее.

Таким образом, трудно объяснить, как первичные черные дыры могли существовать в течение 13,8 миллиардов лет и не взорваться. Если Роману удастся обнаружить эти космические окаменелости, это будет означать серьезное переосмысление многих принципов физики. "Это повлияло бы на все - от формирования галактик до содержания темной материи во Вселенной и космической истории", - говорится в заявлении Кайлаша Саху, астронома из Научного института космического телескопа в Балтиморе, который не принимал участия в исследовании. "Подтверждение их личности будет тяжелой работой, и астрономам потребуется много усилий, чтобы убедить нас, но оно того стоит". Обнаружение первичных черных дыр также было бы непростой задачей. Как и любая черная дыра, эти пустоты были бы ограничены горизонтом событий и не излучали бы и не отражали свет. Это означает, что единственный способ обнаружить их - использовать принцип, разработанный Альбертом Эйнштейном в его теории гравитации 1915 года, известной как общая теория относительности.

Общая теория относительности предсказывает, что все объекты, обладающие массой, вызывают искривление самой структуры пространства и времени, объединенной в единую четырехмерную структуру, называемую "пространством-временем". Когда свет от фонового источника проходит деформацию, его траектория искривляется. Чем ближе к линзирующему объекту проходит свет, тем сильнее искривляется его траектория. Это означает, что свет от одного и того же объекта может попадать в телескоп в разное время. Это называется гравитационным линзированием. Когда линзирующий объект невероятно массивен, например галактика, может показаться, что источник фона смещается в видимое положение или даже появляется в нескольких местах на одном и том же изображении. Если объект линзирования меньше по массе, например, первичная черная дыра, эффект линзирования меньше, но он может вызвать осветление источников фона, которые можно обнаружить. Этот эффект называется микролинзированием.

В настоящее время микролинзирование с большим успехом используется для обнаружения планет-изгоев, или миров, которые дрейфуют по Млечному Пути без родительской звезды. Это позволило выявить большую популяцию изгоев массой примерно с Землю - больше, чем теоретически предсказывают модели. Учитывая эту закономерность, ученые предсказывают, что Roman увеличит количество обнаружений мошенников земной массы в десять раз. Обилие этих объектов привело к предположению, что некоторые из этих объектов массой с Землю на самом деле могут быть первичными черными дырами. "Невозможно отличить черные дыры массой с Землю от планет-изгоев в каждом конкретном случае", - сказал Дерокко. "Роман будет чрезвычайно эффективен в проведении статистической разницы между ними". "Это захватывающий пример того, что ученые могут сделать с данными, которые Roman уже собирается получить в ходе поиска планет", - сказал Саху. "И результаты будут интересны независимо от того, найдут ли ученые доказательства существования черных дыр массой с Землю или нет. В любом случае это укрепило бы наше понимание Вселенной".

Источник