Загадка миниатюрных черных дыр в начале Вселенной наконец решена?
Первобытные черные дыры — очень маленькие черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, — являются одними из лучших кандидатов на роль темной материи. Однако новая теория предполагает, что, вопреки предсказаниям модели, эти маленькие черные дыры не были достаточно многочисленны, чтобы это было так. Это объясняет, почему мы до сих пор не обнаружили ни одной из них.
Считается, что Вселенная образовалась 13,8 миллиарда лет назад в результате космического взрыва, известного как Большой взрыв. Затем она быстро расширялась за счет темной энергии в период, известный как «инфляция». На этом этапе она превратилась из однородного, компактного состояния в структурированное, диффузное. Хотя, кажется, что она состоит в основном из вакуума, ее масса гораздо больше, чем можно объяснить только обычной материей. Хотя истинная природа этого вещества пока остается загадочной, астрономы назвали это невидимое образование «темной материей».
Считается, что темная материя и темная энергия занимают 25 % и 70 % соответственно от общей массы Вселенной, в то время как обычная материя занимает всего 5 %. Исследования показали, что темная материя может состоять из первобытных черных дыр (ПЧД) - гипотетических очень маленьких объектов, образовавшихся в первые доли секунды после Большого взрыва. Образовавшиеся в результате коллапса областей горячего плотного газа, они были бы размером с монету, а их масса была бы эквивалентна массе крупных астероидов или малых планет.
Они являются одними из главных кандидатов на темную материю, потому что они достаточно малы, чтобы остаться незамеченными, но достаточно массивны, чтобы оказать широкое влияние на космос. Однако их должно быть достаточно много, чтобы оказать достаточное влияние на видимую материю. «Мы называем их первозданными черными дырами (ПЧД), и многие исследователи считают их хорошими кандидатами на роль темной материи, но их должно быть очень много, чтобы соответствовать этой теории», — объясняет Джейсон Кристиано, исследователь из Токийского университета в Японии, в пресс-релизе.
Однако на сегодняшний день нет никаких доказательств их существования, что ставит под сомнение их предполагаемое изобилие. Некоторые исследователи предполагают, что они не были обнаружены из-за технических ограничений. В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале , Кристиано и его коллеги, напротив, предполагают, что они не так многочисленны, как считается.
Мини-черных дыр гораздо меньше, чем считалось ранее
Изучая различные модели образования ПЧД, команда авторов нового исследования обнаружила, что большинство из них не соответствует реальным наблюдениям космического микроволнового фона (CMB), остатков первого излучения, испущенного после Большого взрыва. Чтобы лучше соответствовать данным CMB, они предложили новую модель, основанную на квантовой теории поля — подходе, который описывает эволюцию частиц и процессы их взаимодействия.
В начале своего формирования Вселенная была чрезвычайно компактной, меньше атома. Затем инфляция быстро увеличила этот диаметр (на 25 порядков). Волны, проходящие через это крошечное пространство, могли иметь относительно большую амплитуду (или мощность), но относительно малую длину.
«Мы обнаружили, что эти крошечные, но сильные волны могут приводить к необъяснимому в других случаях усилению гораздо более длинных волн, которые мы наблюдаем в современном CMB», — говорит соавтор исследования Дзюнъити Йокояма. Это происходит из-за случайной когерентности коротких волн, которая может быть объяснена с помощью квантовой теории поля.
Точнее, хотя отдельные короткие волны имеют относительно низкую амплитуду, их сближение может изменить форму других, гораздо более длинных волн. Эти мелкомасштабные флуктуации повлияют на более крупные, следы которых можно обнаружить в CMB. «Это редкий случай, когда теория чего-то в экстремальном масштабе, похоже, объясняет что-то на противоположном конце шкалы», — говорит эксперт.
По мнению исследователей, высокоамплитудные коротковолновые флуктуации в ранней Вселенной лежат в основе ПЧД. Применив свою новую теоретическую модель к этим флуктуациям, они обнаружили, что для формирования крупномасштабных структур Вселенной требуется гораздо меньше времени, чем предполагалось ранее. Это также говорит о том, что «ПЧД должно быть гораздо меньше, чем требуется, если они действительно являются хорошими кандидатами на темную материю или гравитационно-волновые события», — говорит Кристиано. В этом случае, если мы не сможем их обнаружить, это будет просто потому, что они крайне редки.
В качестве следующего шага исследователи планируют проверить свою теорию с помощью следующих сверхчувствительных детекторов гравитационных волн, таких как лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), которая должна быть отправлена в космос на ракете Ariane 3 к 2035 году. Обсерватория LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии в настоящее время сосредоточены на обнаружении возможных ПЧД, что может дать команде ценные подсказки.