Если у Вселенной есть скрытое измерение, первичные чёрные дыры должны быть пятимерными

Если у пространства существует дополнительное «тёмное» измерение микронного масштаба, практически все жизнеспособные механизмы образования первичных чёрных дыр должны создавать пятимерные объекты. К такому выводу пришли физики Луис Анчордоки, Алек Бедроя и Дитер Люст, проверив несколько основных сценариев возникновения таких чёрных дыр в ранней Вселенной. Некоторые из них могли бы существовать до настоящего времени и отличаться от обычных чёрных дыр скоростью испарения.

Первичные чёрные дыры пока остаются гипотетическими. В отличие от обычных чёрных дыр звёздной массы, они могли сформироваться не после коллапса звезды, а непосредственно в первые моменты существования Вселенной из чрезвычайно плотных областей вещества и энергии.

Такие объекты давно рассматриваются как возможные кандидаты на роль части или даже всей тёмной материи. Однако новая работа посвящена другой особенности: если пространство действительно содержит скрытое дополнительное измерение, достаточно маленькая первичная чёрная дыра должна ощущать его своей гравитацией.

Авторы рассматривают так называемый сценарий тёмного измерения. В нём привычные нам три пространственных измерения и время образуют четырёхмерный мир, тогда как существует ещё одно компактное пространственное измерение характерного размера порядка микрона. Частицы Стандартной модели остаются в привычном нам пространстве, тогда как гравитация способна распространяться и в дополнительное измерение. Подобные модели рассматриваются как один из возможных вариантов физики за пределами Стандартной модели.

Для обычных астрофизических чёрных дыр микронный масштаб ничтожно мал, поэтому их можно описывать привычной четырёхмерной общей теорией относительности. Но ситуация меняется, если радиус горизонта событий становится сопоставим с размером дополнительного измерения или меньше него. Тогда геометрия чёрной дыры может распространяться в пятую координату.

Исследователи проверили несколько механизмов, которые теоретически способны создавать первичные чёрные дыры: флуктуации, связанные с инфляцией ранней Вселенной, космологические фазовые переходы и коллапс гипотетических космических струн. Во всех рассмотренных жизнеспособных сценариях применение ограничений квантовой гравитации приводит к пятимерным первичным чёрным дырам, если не предполагать существование дополнительной экзотической физики при сравнительно низких энергиях.

Один из механизмов связан с фазовыми переходами. По мере стремительного охлаждения молодой Вселенной её физическое состояние могло изменяться, подобно тому как вода при охлаждении превращается в лёд. Возникавшие при этом неоднородности могли создавать достаточно плотные области для образования первичных чёрных дыр.

В сценарии тёмного измерения небольшая четырёхмерная конфигурация такой чёрной дыры оказывается нестабильной и переходит в пятимерное состояние. Авторы связывают этот переход с известной в теориях дополнительных измерений неустойчивостью Грегори — Лафламма.

Другой рассмотренный механизм использует космические струны — гипотетические чрезвычайно тонкие дефекты пространства, которые могли возникнуть во время фазовых переходов ранней Вселенной. Замкнутая петля такой струны способна сжиматься под действием собственного натяжения и при определённых условиях коллапсировать в чёрную дыру. В рамках рассматриваемой модели такие объекты уже при рождении оказываются пятимерными.

Дополнительное измерение меняет и дальнейшую судьбу чёрной дыры. Согласно квантовой теории, чёрные дыры постепенно теряют массу посредством излучения Хокинга. Чем меньше обычная четырёхмерная чёрная дыра, тем быстрее проходит этот процесс.

У пятимерных объектов зависимость между массой, размером и температурой другая. При одинаковой массе они могут быть крупнее, холоднее и испаряться медленнее четырёхмерных аналогов. Предыдущие расчёты в рамках того же сценария показывали, что это существенно увеличивает время существования небольших первичных чёрных дыр.

В новой работе авторы показали, что первичные чёрные дыры, возникшие при коллапсе космических струн, в некоторых областях параметров могут иметь время жизни, сравнимое с возрастом Вселенной. Это означает, что гипотетические объекты, возникшие вскоре после Большого взрыва, теоретически могли сохраниться до современной эпохи.

Исследователи также обсуждают возможную связь этой модели с необычным нейтрино KM3-230213A, зарегистрированным подводным детектором KM3NeT. Его оценочная энергия составляет сотни петаэлектронвольт и находится сравнительно близко к характерному энергетическому масштабу квантовой гравитации, возникающему в рассматриваемой пятимерной модели.

Ранее Анчордоки и его коллеги показали, что испарение пятимерных первичных чёрных дыр в принципе можно подобрать так, чтобы получить нейтрино подобной энергии без сопутствующего потока гамма-излучения, который должен был бы наблюдаться в некоторых других сценариях. Однако это лишь одна из предложенных интерпретаций события KM3-230213A. Сам эксперимент пока не обнаружил убедительного источника нейтрино, а среди возможных объяснений рассматриваются мощные внегалактические ускорители и космогенные нейтрино.

Ни первичные чёрные дыры, ни само тёмное измерение пока не обнаружены. Поэтому работа не является свидетельством существования пятого измерения. Её результат имеет условный характер: если сценарий тёмного измерения верен и первичные чёрные дыры действительно формировались известными механизмами, то они должны обладать пятимерной геометрией.

Именно поэтому первичные чёрные дыры потенциально интересны как инструмент проверки структуры пространства-времени. Их обнаружение и измерение особенностей испарения могло бы дать информацию о масштабах, недоступных прямым экспериментам, и в принципе позволить проверить, распространяется ли гравитация в дополнительное пространственное измерение.

Исследование принято к публикации в журнале Physical Review D.