|
Экзотические черные дыры побочный продукт темной материи
|
|
|
|
На каждый килограмм вещества, которое мы можем видеть — от компьютера на вашем столе до далеких звезд и галактик, — приходится 5 килограммов невидимой материи, которая заполняет наше окружение. Эта “темная материя” - таинственная сущность, которая ускользает от всех форм прямого наблюдения, но дает о себе знать своим невидимым воздействием на видимые объекты. Пятьдесят лет назад физик Стивен Хокинг предложил одну идею о том, чем может представлять собой темная материя: совокупность черных дыр, которые, возможно, образовались очень скоро после Большого взрыва. Такие “первичные” черные дыры были бы не голиафами, которые мы обнаруживаем сегодня, а скорее микроскопическими областями сверхплотной материи, которые образовались бы в первую квинтиллионную долю секунды после Большого взрыва, а затем сжались и рассеялись по космосу, воздействуя на окружающее пространство-время таким образом, что это могло бы объяснить возникновение сверхплотной материи. темная материя, которую мы знаем сегодня.
|
|
|
|
Теперь физики Массачусетского технологического института обнаружили, что этот изначальный процесс также мог привести к появлению неожиданных спутников: еще меньших черных дыр с беспрецедентным ядерно-физическим свойством, известным как “цветной заряд”. Эти мельчайшие, “сверхзаряженные” черные дыры представляли собой совершенно новое состояние материи, которое, вероятно, испарилось через долю секунды после их появления. Тем не менее, они все еще могли повлиять на ключевой космологический переход: время, когда были созданы первые атомные ядра. Физики предполагают, что заряженные по цвету черные дыры могли повлиять на баланс слияния ядер таким образом, который астрономы могли бы когда-нибудь обнаружить с помощью будущих измерений. Такое наблюдение убедительно показало бы, что первичные черные дыры являются источником всей современной темной материи.
|
|
|
“Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических существ сегодня нет, они могли повлиять на космическую историю таким образом, что сегодня это может проявляться в виде едва заметных сигналов”, - говорит Дэвид Кайзер, профессор истории науки и физики Массачусетского технологического института в Гермесхаузене. “В рамках идеи о том, что вся темная материя может быть образована черными дырами, это дает нам новые возможности для поиска”. Кайзер и его соавтор, аспирант Массачусетского технологического института Эльба Алонсо-Монсалве, опубликовали сегодня свое исследование в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
Черные дыры, которые мы знаем и обнаруживаем сегодня, являются результатом звездного коллапса, когда центр массивной звезды прогибается внутрь себя, образуя область настолько плотную, что она может искривлять пространство-время таким образом, что все — даже свет — оказывается в ловушке внутри. Такие “астрофизические” черные дыры могут быть как в несколько раз массивнее Солнца, так и во много миллиардов раз массивнее его. “Первичные” черные дыры, напротив, могут быть намного меньше и, как полагают, образовались задолго до появления звезд. Ученые полагают, что еще до того, как Вселенная сформировала основные элементы, не говоря уже о звездах, скопления сверхплотной первичной материи могли накапливаться и коллапсировать, образуя микроскопические черные дыры, которые могли быть настолько плотными, что могли бы вместить массу астероида в область размером с один атом. Гравитационное притяжение этих крошечных невидимых объектов, разбросанных по всей Вселенной, могло бы объяснить всю темную материю, которую мы сегодня не можем увидеть.
|
|
|
|
Если бы это было так, то из чего бы образовались эти первичные черные дыры? Вот вопрос, который Кайзер и Алонсо-Монсальве задали в своем новом исследовании. “Люди изучали распределение масс черных дыр во время образования ранней Вселенной, но никогда не связывали это с тем, какие вещества попадали в эти черные дыры в то время, когда они формировались”, - объясняет Кайзер. Физики Массачусетского технологического института сначала изучили существующие теории вероятного распределения масс черных дыр в момент их образования в ранней Вселенной. “Мы пришли к выводу, что существует прямая зависимость между временем образования первичной черной дыры и ее массой”, - говорит Алонсо-Монсальве. “И этот временной промежуток является абсурдно ранним”.
|
|
|
|
Они с Кайзер подсчитали, что первичные черные дыры должны были образоваться в течение первой квинтиллионной доли секунды после Большого взрыва. За это короткое время образовались бы “типичные” микроскопические черные дыры, которые были бы массивнее астероида и размером с атом. Это также привело бы к образованию небольшой доли черных дыр экспоненциально меньшего размера, с массой носорога и размером, намного меньшим, чем один протон. Из чего могли образоваться эти первичные черные дыры? Для этого они обратились к исследованиям, изучающим состав ранней Вселенной, и, в частности, к теории квантовой хромодинамики (КХД) — изучению взаимодействия кварков и глюонов. Кварки и глюоны являются фундаментальными строительными блоками протонов и нейтронов — элементарных частиц, которые, объединившись, создали основные элементы периодической таблицы Менделеева. Сразу после Большого взрыва, по оценкам физиков, основанным на КХД, Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую плазму из кварков и глюонов, которые затем быстро охлаждались и объединялись, образуя протоны и нейтроны.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что в течение первой квинтиллионной доли секунды Вселенная все еще представляла бы собой смесь свободных кварков и глюонов, которым еще предстояло объединиться. Любые черные дыры, образовавшиеся за это время, поглотили бы непривязанные частицы вместе с экзотическим свойством, известным как “цветной заряд” — состояние заряда, которое присуще только несвязанным кваркам и глюонам.“Как только мы выяснили, что эти черные дыры образуются в кварк-глюонной плазме, самое важное, что нам нужно было выяснить, - это сколько цветового заряда содержится в сгустке материи, который в конечном итоге окажется в первичной черной дыре?” - Говорит Алонсо-Монсальве. Используя теорию КХД, они вычислили распределение цветного заряда, которое должно было существовать во всей горячей ранней плазме. Затем они сравнили это с размером области, которая сжалась бы, образовав черную дыру, за первую квинтиллионную долю секунды. Оказывается, в то время в большинстве типичных черных дыр не было бы большого цветного заряда, поскольку они образовались бы путем поглощения огромного количества областей со смесью зарядов, которые в конечном итоге образовали бы “нейтральный” заряд.
|
|
|
|
Но самые маленькие черные дыры были бы заполнены цветным зарядом. Фактически, они содержали бы максимальное количество любого типа заряда, допустимое для черной дыры в соответствии с фундаментальными законами физики. Хотя гипотезы о таких “экстремальных” черных дырах выдвигались десятилетиями, до сих пор никто не обнаружил реалистичного процесса, с помощью которого такие странности действительно могли бы образоваться в нашей Вселенной. Профессор Бернард Карр из Лондонского университета Королевы Марии, эксперт по теме первичных черных дыр, который впервые работал над этой темой со Стивеном Хокингом, описывает новую работу как “захватывающую”. Карр, который не принимал участия в исследовании, говорит, что работа “показывает, что существуют обстоятельства, при которых крошечная часть ранней Вселенной может превратиться в объекты с огромным количеством цветового заряда (по крайней мере, на некоторое время), экспоненциально превышающим то, что было выявлено в предыдущих исследованиях КХД.”
|
|
|
|
Сверхзаряженные черные дыры быстро испарились бы, но, возможно, только после того, как начали формироваться первые атомные ядра. По оценкам ученых, этот процесс начался примерно через секунду после Большого взрыва, что дало бы экстремальным черным дырам достаточно времени, чтобы нарушить условия равновесия, которые существовали, когда начали формироваться первые ядра. Такие возмущения потенциально могут повлиять на формирование этих самых ранних ядер таким образом, что когда-нибудь их можно будет наблюдать. “Эти объекты, возможно, оставили некоторые интересные следы для наблюдений”, - размышляет Алонсо-Монсальве. “Они могли изменить соотношение того и другого, и это то, о чем можно начать задумываться”. Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США. Алонсо-Монсалве также получил стипендию от физического факультета Массачусетского технологического института.
|
|
|
|
Источник
|
