|
Выброс черной дыры может раскрыть тайну нейтрино
|
|
|
|
Согласно новому исследованию Массачусетского технологического института, последний вздох первичной черной дыры может быть источником самой высокоэнергетичной "призрачной частицы", обнаруженной на сегодняшний день.
|
|
|
|
В статье, опубликованной сегодня в журнале Physical Review Letters, физики Массачусетского технологического института выдвинули убедительное теоретическое обоснование того, что недавно обнаруженное высокоэнергетическое нейтрино могло быть продуктом взрыва первичной черной дыры за пределами нашей Солнечной системы.
|
|
|
|
Нейтрино иногда называют частицами-призраками из-за их невидимой, но всепроникающей природы: они являются наиболее распространенным типом частиц во Вселенной, но при этом практически не оставляют следов. Недавно ученые выявили признаки нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо зарегистрированной, но источник такой необычайно мощной частицы до сих пор не подтвержден.
|
|
|
|
Исследователи Массачусетского технологического института предполагают, что таинственное нейтрино могло возникнуть в результате неизбежного взрыва первичной черной дыры. Первичные черные дыры (PBH) - это гипотетические черные дыры, которые являются микроскопическими версиями гораздо более массивных черных дыр, которые находятся в центре большинства галактик. Предполагается, что черные дыры образовались в первые мгновения после Большого взрыва. Некоторые ученые полагают, что первичные черные дыры могли составлять большую часть или всю темную материю во Вселенной на сегодняшний день.
|
|
|
|
|
|
|
Как и их более массивные аналоги, PBH должны терять энергию и сжиматься в течение своего жизненного цикла в процессе, известном как излучение Хокинга, которое было предсказано физиком Стивеном Хокингом. Чем больше черная дыра излучает, тем горячее она становится и тем больше частиц высокой энергии она выпускает. Это стремительный процесс, который должен привести к невероятно сильному взрыву самых энергичных частиц непосредственно перед тем, как черная дыра испарится.
|
|
|
|
Физики Массачусетского технологического института подсчитали, что если бы PBH составляли большую часть темной материи во Вселенной, то небольшая их часть сегодня претерпевала бы свои последние взрывы по всей галактике Млечный Путь. И должна существовать статистически значимая вероятность того, что такой взрыв мог произойти относительно близко к нашей Солнечной системе. В результате взрыва произошел бы выброс частиц высокой энергии, включая нейтрино, одна из которых могла бы с большой вероятностью попасть в детектор на Земле.
|
|
|
|
Если бы такой сценарий действительно имел место, недавнее обнаружение нейтрино с самой высокой энергией стало бы первым наблюдением излучения Хокинга, которое уже давно предполагалось, но никогда непосредственно не наблюдалось ни в одной черной дыре. Более того, это событие может свидетельствовать о существовании первичных черных дыр и о том, что они составляют большую часть темной материи — таинственного вещества, составляющего 85% всего вещества во Вселенной, природа которого остается неизвестной.
|
|
|
|
"Оказывается, существует сценарий, в котором все, кажется, сходится, и мы можем не только показать, что большая часть темной материи [в этом сценарии] состоит из первичных черных дыр, но мы также можем произвести эти высокоэнергетические нейтрино в результате случайного взрыва PBH поблизости", - говорит руководитель исследования автор - Александра Клипфель, аспирант физического факультета Массачусетского технологического института. "Теперь мы можем попытаться найти и подтвердить это с помощью различных экспериментов".
|
|
|
|
Другим соавтором исследования является Дэвид Кайзер, профессор физики и истории науки в Массачусетском технологическом институте в Гермесхаузене.
|
|
|
|
Напряженность высоких энергий
|
|
|
|
В феврале ученые нейтринного телескопа "Кубический километр", или KM3NeT, сообщили об обнаружении нейтрино с самой высокой энергией, зарегистрированного на сегодняшний день. KM3NeT - это крупномасштабный подводный детектор нейтрино, расположенный на дне Средиземного моря, где окружающая среда предназначена для подавления воздействия любых частиц, кроме нейтрино.
|
|
|
|
Ученые, работающие с детектором, зафиксировали сигналы пролетающего нейтрино с энергией более 100 пета-электрон-вольт. Один пета-электрон-вольт эквивалентен энергии в 1 квадриллион электрон-вольт.
|
|
|
|
"Это невероятно высокая энергия, намного превосходящая все, до чего люди способны разогнать частицы", - говорит Клипфель. "Нет единого мнения о происхождении частиц с такой высокой энергией".
|
|
|
|
Аналогичные нейтрино высокой энергии, хотя и не такой высокой, как то, что наблюдал KM3NeT, были обнаружены обсерваторией IceCube - детектором нейтрино, встроенным глубоко во лед на Южном полюсе. IceCube обнаружил около полудюжины таких нейтрино, чьи необычно высокие энергии также не поддаются объяснению.
|
|
|
|
Каким бы ни был их источник, наблюдения IceCube позволяют ученым определить вероятную скорость, с которой нейтрино таких энергий обычно попадают на Землю. Однако, если бы эта скорость была верной, было бы крайне маловероятно, что мы наблюдали нейтрино сверхвысоких энергий, которые недавно были обнаружены KM3NeT. Таким образом, открытие двух детекторов, по-видимому, было тем, что ученые называют "напряженным".
|
|
|
|
Кайзер и Клипфель, которые работали над отдельным проектом, связанным с первичными черными дырами, задались вопросом: могла ли PBH породить нейтрино KM3NeT и горстку нейтрино IceCube в условиях, когда PBH составляют большую часть темной материи в галактике? Если бы они смогли доказать, что такая вероятность существует, это открыло бы еще более захватывающую возможность того, что обе обсерватории наблюдали не только нейтрино высокой энергии, но и остатки излучения Хокинга.
|
|
"Наш лучший шанс"
|
|
|
|
Первым шагом, который ученые предприняли в своем теоретическом анализе, было вычисление количества частиц, испускаемых взрывающейся черной дырой. Все черные дыры должны медленно излучать с течением времени. Чем больше черная дыра, тем она холоднее и тем меньше частиц энергии она испускает при медленном испарении. Таким образом, любые частицы, которые испускаются в виде излучения Хокинга черными дырами с большой звездной массой, практически невозможно обнаружить.
|
|
|
|
Однако по той же причине гораздо меньшие первичные черные дыры были бы очень горячими и испускали бы высокоэнергетические частицы в процессе, который ускоряется по мере приближения черной дыры к полному исчезновению.
|
|
|
|
"У нас нет никакой надежды обнаружить излучение Хокинга, исходящее от астрофизических черных дыр", - говорит Клипфель. "Так что, если мы когда-нибудь захотим его увидеть, наш лучший шанс - это самые маленькие первичные черные дыры".
|
|
|
|
Исследователи рассчитали количество и энергию частиц, которые должна испускать черная дыра, учитывая ее температуру и уменьшающуюся массу. По их оценкам, как только черная дыра становится меньше атома, в течение последней наносекунды она должна испустить последний всплеск частиц, включающий около 1020 нейтрино, или около секстиллиона частиц, с энергией около 100 пета-электрон-вольт (около энергии, которую наблюдал KM3NeT).
|
|
|
|
Они использовали этот результат для расчета количества взрывов PBH, которые должны были произойти в галактике, чтобы объяснить результаты, полученные в IceCube. Они обнаружили, что в нашей области галактики Млечный Путь на кубический парсек в год должно приходиться около 1000 первичных черных дыр. (Парсек - это единица измерения расстояния, равная примерно 3 световым годам, что составляет более 10 триллионов километров).
|
|
|
|
Затем они рассчитали расстояние, на котором мог произойти один такой взрыв в Млечном Пути, так что лишь горстка нейтрино высокой энергии могла достичь Земли и вызвать недавнее событие KM3NeT. Они обнаружили, что PBH должен был бы взорваться относительно близко к нашей Солнечной системе — на расстоянии, примерно в 2000 раз превышающем расстояние между Землей и нашим Солнцем.
|
|
|
|
Частицы, выброшенные при таком близком взрыве, разлетелись бы во все стороны. Однако команда обнаружила, что существует небольшая, 8%-ная вероятность того, что взрыв может происходить достаточно близко к Солнечной системе, раз в 14 лет, чтобы достаточное количество нейтрино сверхвысокой энергии попадало на Землю.
|
|
|
|
"Вероятность в 8% не так уж велика, но это вполне в пределах того диапазона, в котором мы должны серьезно относиться к таким шансам — тем более что до сих пор не было найдено никакого другого объяснения, которое могло бы объяснить как необъяснимые нейтрино очень высоких энергий, так и еще более неожиданные ультравысокие частоты.нейтринное излучение высокой энергии", - говорит Кайзер.
|
|
|
|
Сценарий команды, похоже, верен, по крайней мере, в теории. Для подтверждения их идеи потребуется гораздо больше обнаружений частиц, включая нейтрино, с "безумно высокими энергиями". Тогда ученые смогут собрать более точную статистику относительно таких редких событий.
|
|
|
|
"В этом случае мы могли бы использовать весь наш совокупный опыт и приборы, чтобы попытаться измерить все еще гипотетическое излучение Хокинга", - говорит Кайзер. "Это стало бы первым в своем роде доказательством одного из столпов нашего понимания черных дыр, а также могло бы объяснить эти аномальные нейтринные явления с высокой энергией. Это очень захватывающая перспектива!"
|
|
|
|
В совокупности другие усилия по обнаружению близлежащих PBH могут еще больше укрепить гипотезу о том, что эти необычные объекты составляют большую часть или всю темную материю.
|
|
|
|
Источник
|
