Обнаружение квантовых черных дыр разрешит несколько загадок Вселенной. Но как их обнаружить?
В последние годы мы много слышим о массивных черных дырах и даже наблюдаем их; сверхмассивные черные дыры, черные дыры звездной массы или черные дыры промежуточной массы. Однако, хотя никакой другой тип никогда не наблюдался, считается, что это не единственный тип черных дыр, населяющих нашу Вселенную. По сути, теоретически считается, что существует особый "вид", известный как первозданные черные дыры, которые существуют с момента зарождения Вселенной.
Тем не менее они были бы невидимы для обычных методов наблюдения. Действительно, первозданные черные дыры (или ПЧД), как следует из термина "первозданные", существуют с момента Большого взрыва и развиваются в размерах, сравнимых с размерами атома, но также могут иметь размеры, значительно превышающие размеры Солнца. Впервые о существовании таких черных дыр предположили Зельдович Яков Борисович и Игорь Дмитриевич Новиков в 1966 году. Позднее их теория была расширена и подробно изучена Стивеном Хокингом в 1971 году.
Образование первозданных черных дыр
Примерно через секунду после Большого взрыва плотность пространства изменилась очень неоднородно, и это единственное свойство Вселенной может быть причиной появления первозданных черных дыр. Высокая плотность некоторых областей, которые были намного горячее других, вызванная квантовыми флуктуациями, которые представляют собой создание и аннигиляцию парных частиц, изменяющих плотность пространства, могла привести к тому, что пространство в этих областях коллапсировало само на себя, образуя черные дыры.
В этот период, то есть через секунду после Большого взрыва, должно было образоваться несколько первозданных черных дыр. Хотя предполагается, что большинство из них испарились вскоре после своего образования, если бы мы смогли найти способ обнаружить оставшиеся, их доказанное существование решило бы множество проблем в астрономии, в частности, проблему темной материи.
Как мы можем обнаружить первозданные черные дыры?
Учитывая тяжелые и внушающие благоговение последствия потенциального существования первозданных черных дыр, ученые попытались разработать несколько методов, которые позволили бы нам обнаружить первозданные черные дыры.
Первым предлагаемым методом обнаружения могло бы стать наблюдение космического микроволнового фона (или реликтового излучения), отпечатка пальца ранних стадий нашей Вселенной, который указывал бы на зоны высокого рентгеновского излучения, вызванного тем, что первобытные черные дыры питались более высокой концентрацией материи, содержащейся в этих регионах.
Другим экспериментальным методом обнаружения первозданных черных дыр является обнаружение гравитационных волн в лабораториях, подобных LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Эти гравитационные волны указывают на возмущение пространства-времени, которое затем доходит до Земли. Если эти возмущения будут обнаружены в пределах установленного порога и с рассчитанными параметрами, они могут указывать на коллапс пространства в ранней Вселенной с образованием первобытной черной дыры.
Наконец, гравитационное линзирование может стать индикатором первозданных черных дыр. Гравитационное линзирование - это концепция, при которой звезда или астрономический объект виден, хотя и находится за скоплением. Однако из-за большой массы и плотности этого скопления свет затмеваемого объекта искажается вокруг скопления, чтобы достичь наблюдателя. В случае, когда гравитационное линзирование наблюдается по неизвестной причине или в количествах, необъяснимых плотностью обычной материи, первозданные черные дыры и их высокая плотность могут объяснить такое явление: это показатель того, что они находятся в указанном кластере.
Кандидаты в темную материю
Центральной проблемой в астрофизике является обнаружение темной материи. Хотя она составляет 30% нашей Вселенной, мы не знаем, что это такое и где именно ее искать. Если бы она была подтверждена, мы бы объяснили множество моделей поведения и явлений, которые мы наблюдаем, и первозданные черные дыры могли бы стать тем направлением, в котором следует искать! Ведь первозданные черные дыры могут быть формой темной материи, называемой MACHO (Massive compact halo objects), которую можно найти в гало галактик.
Обнаружить эти MACHO можно с помощью ранее упомянутого метода гравитационного линзирования, при котором объектом, действующим как линза, является MACHO. Во-вторых, еще одним способом обнаружения этих MACHO может быть слияние первобытных черных дыр, которые невидимы, но генерируют гравитационные волны, которые потенциально могут быть обнаружены такими лабораториями, как LIGO. Наконец, хотя существование первозданных черных дыр остается спекулятивным, их место во Вселенной относительно хорошо определено, и если однажды будет доказано, что они существуют, их состав поможет объяснить некоторые из самых запутанных проблем нашей Вселенной.