Великий вибух створив чорні діри розміром з монету: де вони ховаються

Автори нового дослідження, опублікованого в журналі Physical Review Letters, використовували квантову фізику, щоб розкрити секрет первинних крихітних чорних дір, створений відразу після Великого вибуху. Одна з причин, через яку полювання за цими чорними дірами є актуальним, полягає в тому, що їх вважають кандидатами на роль темної матерії, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Первинні чорні діри

Учені вважають, що якщо створені Великим вибухом первинні крихітні чорні діри існують, то вони мають розмір монети, але водночас масу астероїда чи планети. Для порівняння чорні діри зоряної маси перевищують масу Сонця в 10-100 разів, а надмасивні чорні діри — у мільйони і навіть мільярди разів. Як і два останні типи чорних дір, їхні первинні маленькі аналоги також мають горизонт подій. Він не дозволяє чорним дірам випромінювати або відбивати світло. І вчені вважають, що саме первинні чорні діри є кандидатами на роль темної матерії. Хоча ці об'єкти і крихітні, і їх ще не спостерігали, все ж вони можуть впливати на звичайну матерію.

Науковці для свого дослідження використовували класичну теорію поля, спеціальну теорію відносності Ейнштейна та квантову механіку, щоб застосувати їх для умов раннього Всесвіту. Остання в цьому списку пояснює поведінку таких частинок, як електрони та кварки, і породжує так звану квантову теорію поля (КТП).

Застосування КТП до самого початку космосу привело вчених до висновку, що у Всесвіті набагато менше гіпотетичних первинних чорних дір, ніж показують багато моделей. Якщо це так, це може взагалі виключити первинні чорні діри з числа кандидатів на роль темної матерії.

Вчені вважають, що можуть пояснити, чому первинні чорні діри досі не побачили безпосередньо і чому їх не так багато, як передбачається.

Народження Всесвіту і перше світло

Зараз вважається, що Всесвіт виник 13,8 млрд років тому внаслідок Великого вибуху. Після того, як перші частинки з'явилися у Всесвіті під час цього первісного розширення, простір став досить холодним, щоб дозволити електронам і протонам зв'язуватися і створити перші атоми. Саме тоді з'явився водень. До того, як відбулося охолодження космосу, світло не могло подорожувати Всесвітом. Електрони постійно розсіювали частинки світла фотони. Тому Всесвіт на самому початку був непрозорим. Після появи атомів світло нарешті змогло вільно переміщатися космосом, і Всесвіт став прозорим для світла. Це перше світло все ще можна побачити і воно називається реліктовим випромінюванням.

З первинного водню були створені спочатку перші зірки, потім галактики і скупчення галактик. Деякі галактики мали занадто велику масу і це можна пояснити наявністю темної матерії.

У той час як чорні діри зоряної маси виникають внаслідок смерті масивних зірок, а надмасивні чорні діри — внаслідок злиття менших чорних дір, первинні чорні діри, що з'явилися ще до зірок, мали унікальне походження.

Деякі вчені вважають, що вони з'явилися з грудок гарячої та щільної матерії, яка стиснулася під дією гравітації. Таким чином з'явилися надщільні об'єкти, що мають розмір монети, а може навіть і протона, залежно від маси.

Нова теорія

Автори дослідження раніше вивчали моделі первинних чорних дір, але вони не узгоджувалися зі спостереженнями за реліктовим випромінюванням. Щоб виправити це, вчені внесли поправки в теорію утворення первинних чорних дір за допомогою КТП.

За словами вчених, на самому початку життя Всесвіту, коли розпочалося стрімке розширення, через поки що неймовірно маленький космос почали проходити хвилі світла, що мають великі амплітуди коливання, але коротку довжину. Науковці з'ясували, що ці хвилі можуть посилюватися, ставати більшими і мати більшу довжину, що можна побачити в реліктовому випромінюванні. Автори вважають, що це посилення є результатом когерентності між ранніми короткими хвилями, яку можна пояснити за допомогою КТП.

Якщо теорія вчених про те, що ранні дрібномасштабні коливання у Всесвіті можуть рости і впливати на великомасштабні коливання реліктового випромінювання правильна, то це повинно було вплинути на ріст структур у космосі. Вимірювання коливань реліктового випромінювання може допомогти обмежити розмір початкових коливань у ранньому Всесвіті. Це накладає обмеження на явища, засновані на коротших коливаннях, такі як первинні чорні діри. Вчені припускають, що первинних чорних дір має бути набагато менше, ніж необхідно, якщо вони дійсно є кандидатами на роль темної матерії або є причиною гравітаційно-хвильових подій.

Поки що первинні чорні діри є лише гіпотетичними об'єктами. Учені вважають, що виявити первинні чорні діри можна за допомогою вимірювань гравітаційних хвиль, тобто пульсацій у просторі-часі. Це допоможе підтвердити або спростувати теорію вчених і може наблизити астрофізиків до підтвердження того, чи можуть первинні чорні діри бути темною матерією.

Фокус уже писав про те, що астрономи виявили кілька нових планет, які блукають космосом і яких не утримує гравітація зірок. Одна з гіпотез свідчить, що на цих світах навіть може існувати життя, хоча там екстремальні умови.