|
Мы только что видели, как взорвалась черная дыра
|
|
|
|
В 2023 году субатомная частица, называемая нейтрино, врезалась в Землю с такой большой энергией, что это должно было быть невозможно. На самом деле, нигде во Вселенной нет известных источников, способных производить такую энергию — в 100 000 раз больше, чем у частиц с самой высокой энергией, когда-либо создававшихся Большим адронным коллайдером, самым мощным ускорителем частиц в мире. Однако недавно группа физиков из Массачусетского университета в Амхерсте выдвинула гипотезу, что нечто подобное может произойти, когда взорвется особый вид черной дыры, называемый "квазиэкстремальной первичной черной дырой".
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, команда не только объясняет существование нейтрино, но и показывает, что элементарная частица может раскрыть фундаментальную природу Вселенной.
|
|
|
|
От коллапса звезд до ранней вселенной.
|
|
|
|
Черные дыры существуют, и у нас есть хорошее представление об их жизненном цикле: у старой крупной звезды заканчивается топливо, она взрывается сверхновой огромной мощности и оставляет после себя область пространства-времени с такой интенсивной гравитацией, что ничто, даже свет, не может вырваться за ее пределы. Эти черные дыры невероятно тяжелы и, по сути, стабильны.
|
|
|
|
|
|
|
Но, как отметил физик Стивен Хокинг в 1970 году, другой вид черных дыр — первичная черная дыра (PBH) - мог образоваться не в результате коллапса звезды, а в результате изначальных условий Вселенной вскоре после Большого взрыва. Пока что PBH существуют только в теории и, подобно стандартным черным дырам, обладают такой огромной плотностью, что почти ничто не может вырваться за их пределы, что и делает их "черными". Однако, несмотря на свою плотность, PBH могут быть намного легче, чем черные дыры, которые мы до сих пор наблюдали. Более того, Хокинг показал, что черные дыры могут медленно испускать частицы с помощью так называемого "излучения Хокинга", если они достаточно нагрелись.
|
|
Как испаряющиеся черные дыры могут взорваться
|
|
|
|
"Чем легче черная дыра, тем горячее она должна быть и тем больше частиц она будет испускать", - говорит Андреа Тамм, соавтор нового исследования и доцент кафедры физики университета Массачусетса в Амхерсте. "По мере того, как PBH испаряются, они становятся все легче и, следовательно, горячее, испуская еще больше излучения, что приводит к ускорению процесса вплоть до взрыва. Это излучение Хокинга, которое могут обнаружить наши телескопы".
|
|
|
|
Если бы такой взрыв можно было наблюдать, это дало бы нам полный каталог всех существующих субатомных частиц, включая те, которые мы наблюдали, такие как электроны, кварки и бозоны Хиггса, те, о которых мы только предполагали, такие как частицы темной материи, а также все остальное, что мы можем обнаружить. до сих пор он был совершенно неизвестен науке. Команда UMass из Амхерста ранее показала, что такие взрывы могут происходить с удивительной частотой — примерно каждые десять лет, и если бы мы были внимательны, наши современные приборы для наблюдения за космосом могли бы зарегистрировать эти взрывы.
|
|
|
|
Пока что это только теория.
|
|
Появляется "невозможное" нейтрино
|
|
|
|
Затем, в 2023 году, эксперимент под названием KM3NeT Collaboration зафиксировал это невозможное нейтрино — именно то доказательство, которое, по предположению команды UMass из Амхерста, мы могли бы вскоре увидеть.
|
|
|
|
Но возникла загвоздка: аналогичный эксперимент под названием IceCube, также проведенный для улавливания космических нейтрино высоких энергий, не только не зафиксировал это событие, но и никогда не показывал ничего даже на сотую долю его мощности. Если Вселенная относительно богата нейтрино и они часто взрываются, не должны ли мы быть окружены нейтрино высокой энергии? Чем можно объяснить это несоответствие?
|
|
|
|
Объяснение темного заряда
|
|
|
|
"Мы считаем, что PBH с "темным зарядом" — то, что мы называем квазиэкстремальными PBH - являются недостающим звеном", — говорит Хоаким Игуас Хуан, научный сотрудник UMass Amherst в области физики и один из соавторов статьи. Темный заряд, по сути, является копией обычного электрического взаимодействия, каким мы его знаем, но включает в себя очень тяжелую гипотетическую версию электрона, которую команда называет "темным электроном".
|
|
|
|
"Существуют и другие, более простые модели PBH, - говорит Майкл Бейкер, соавтор и доцент кафедры физики университета Массачусетса в Амхерсте. - Наша модель темного заряда более сложная, что означает, что она может обеспечить более точную модель реальности. Приятно видеть, что наша модель может объяснить это необъяснимое явление".
|
|
|
|
"PBH с темным зарядом, - добавляет Тамм, - обладает уникальными свойствами и ведет себя так, как они отличаются от других, более простых моделей PBH. Мы показали, что это может дать объяснение всем, казалось бы, противоречивым экспериментальным данным".
|
|
Связь нейтрино с темной материей
|
|
|
|
Команда уверена, что их модель темного заряда PBHs может не только объяснить нейтрино, но и раскрыть тайну темной материи. "Наблюдения за галактиками и космическим микроволновым фоном позволяют предположить, что какая-то темная материя существует", - говорит Бейкер.
|
|
|
|
"Если наша гипотеза о темном заряде верна, - добавляет Игуас Хуан, - то мы полагаем, что может существовать значительная популяция PBH, что согласуется с другими астрофизическими наблюдениями и объясняет всю недостающую темную материю во Вселенной".
|
|
|
|
"Наблюдение нейтрино высокой энергии было невероятным событием", - заключает Бейкер. "Это дало нам новый взгляд на Вселенную. Но теперь мы можем оказаться на пороге экспериментальной проверки излучения Хокинга, получения доказательств существования как первичных черных дыр, так и новых частиц, выходящих за рамки стандартной модели, и объяснения тайны темной материи".
|
|
|
|
Источник
|
