Первичные чёрные дыры могут изменить наше понимание тёмной материи и ранней Вселенной. Рекордное открытие на дне Средиземного моря заставило некоторых физиков задуматься, не обнаружили ли мы только что одну из них.
Почти три года назад космическая частица попала в Средиземное море и активировала ещё не достроенный детектор Кубического Километрового Нейтринного Телескопа (KM3NET) у побережья Сицилии. Это было нейтрино — элементарная частица, известная тем, что почти беспрепятственно проходит сквозь любое вещество.
Обсерватория IceCube в Антарктиде, аналогичный детектор, работающий уже более десяти лет, обнаружила сотни космических нейтрино, однако ничего подобного среди них не было. Эта частица примерно в 35 раз мощнее любого ранее зафиксированного нейтрино и она могла вылететь из высокоактивной галактики — блазара — или из фонового источника космических высокоэнергетических частиц, которые, как подозревают учёные, пронизывают весь космос.
Но это не единственные возможности. На следующий день после того, как коллаборация KM3NET сообщила об открытии, физик Дэвид Кайзер поделился с коллегами неожиданной идеей: а что если это мощное нейтрино произошло от взорвавшейся первичной чёрной дыры?
Подобные чёрные дыры «могли образоваться ещё до появления атомов, не говоря уже о звёздах», — сказал Кайзер, который принимал активное участие в поисках этих гипотетических объектов.
Идея о том, что нейтрино произошло из первичной чёрной дыры, маловероятна. Кайзер сказал, что он «полушутил», когда её выдвинул. Но в отсутствие окончательного объяснения она остаётся интригующей, тем более что существование первичных чёрных дыр может означать, что они играют роль в тёмной материи.
Вопрос в том, заметили ли мы только что одну из них.
Рождённые в долю секунды
Идея первичных чёрных дыр впервые была предложена в 1966 году советскими физиками Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым, а окончательно закреплена британским астрофизиком Стивеном Хокингом в 1971 году. Затем Хокинг и его ученик Бернард Карр из Университета королевы Марии в Лондоне детально разработали концепцию первичных чёрных дыр в 1974 году.
Первичная чёрная дыра (ПЧД), условно определяется как чёрная дыра, образовавшаяся в первую долю секунды существования Вселенной. По этой гипотезе, во время быстрого расширения пространства могли возникать всплески плотности пространства-времени, настолько высокие, что они коллапсировали в чёрные дыры. Массы этих чёрных дыр варьировались в зависимости от размера всплесков. Некоторые из них могли быть размером с атомное ядро.
У этой идеи есть свои проблемы. Чтобы вписать ПЧД в картину ранней Вселенной, физикам приходится очень точно подгонять параметры своих моделей под наблюдения , — говорит Венцер Цинь, физик-теоретик из Нью-Йоркского университета. «Нужно очень точно настроить параметр», — сказала она. «Всплески плотности должны быть в 10 000 раз больше, чем можно было бы предсказать в стандартной космологической теории».
В том же году, когда Хокинг и Карр объяснили концепцию первичных чёрных дыр, Хокинг также выдвинул идею излучения, позже названного его именем. Излучение Хокинга — это процесс, при котором чёрные дыры могут терять массу и энергию, испуская фотоны и другие фундаментальные частицы в результате взаимодействия квантовых и гравитационных эффектов вблизи горизонта событий.
Первичная чёрная дыра размером с атомное ядро встретит свою гибель в современной Вселенной. Излучая энергию, она будет медленно уменьшаться, прежде чем завершит свою жизнь внезапным, мощным выбросом частиц. «За большую часть своей жизни чёрная дыра излучает очень мало массы», — говорит Александра Клипфель, аспирантка, работающая с Кайзером над ПЧД в Массачусетском технологическом институте. «Но затем, прямо в конце, она испускает большую часть своей массы в очень быстром взрыве. Она очень быстро нагревается, и этот процесс заканчивается мощным выбросом высокоэнергетических частиц».
Это происходит «потому что температура чёрной дыры обратно пропорциональна её массе», — сказала Клипфель. «Чем меньше масса, тем выше температура».
Поскольку энергия, выделяемая в излучении Хокинга, не отдаёт предпочтения какому-либо одному типу частиц, финальный взрыв будет включать все 17 (или 61, если считать все их типы и античастицы) фундаментальных частиц Стандартной модели, нашей основной теории элементарных частиц. В тот момент, когда чёрная дыра погаснет, триллионы и триллионы частиц вырвутся в космос, «включая нейтрино, кварки и всевозможные экзотические частицы», — сказал Кайзер.
Наименее массивные первичные чёрные дыры существовали бы всего несколько мгновений, но более массивные могут существовать и по сей день. «Чёрная дыра массой около 10¹⁴ (100 триллионов) граммов имеет время жизни, равное возрасту Вселенной», — сказал Клипфель .
Учёные исключили (или ограничили) возможные массы ПЧД, которые могут скрываться во Вселенной сегодня. Слишком малые ПЧД уже испарились бы. Слишком большие уже были бы обнаружены по гравитационному воздействию, искажающему свет далёких звёзд и галактик. Этот процесс называется гравитационным линзированием. Наилучший диапазон масс большинства ПЧД, по-видимому, составляет от 100 квадриллионов (10¹⁷) граммов — массы среднего астероида — до 100 секстиллионов (10²³) граммов, массы спутника. Меньшая популяция ПЧД массой 100 триллионов (10¹⁴) граммов или меньше, массы небольшого астероида, находилась бы на заключительном этапе испарения.
Если первичные чёрные дыры действительно существуют в диапазоне масс астероидов, они могут не только рассказать нам об условиях на заре космоса, но и ответить на ещё один открытый вопрос в астрофизике. Если они всё ещё существуют в современной Вселенной, они могут составлять часть или всю недостающую массу тёмной материи.
«Это одна из немногих убедительных теорий о том, чем может быть тёмная материя, — сказала Цинь. — Поэтому важно продолжать их поиски».
Пойманный монстр
К удивлению команды Кайзера, идея о том, что нейтрино, попавшее в детектор KM3NET, возникло в результате взрыва первичной чёрной дыры, оказалась математически обоснованной, и 18 сентября 2025 года Кайзер и Клипфель опубликовали в журнале Physical Review Letters статью, объясняющую этот механизм. Они обнаружили, что если бы первичная чёрная дыра с начальной массой небольшого астероида взорвалась на расстоянии около 2000 астрономических единиц — в 2000 раз большем, чем расстояние между Землёй и Солнцем, — она могла бы породить это мощное нейтрино.
«Мы обнаружили, что вероятность этого события составляет около 8%», — сказала Клипфель. «Это событие с низкой вероятностью, но оно не является совершенно невозможным».
ПЧД, масса которой составляет примерно 100 триллионов граммов, испускала бы излучение Хокинга на протяжении 13,8 миллиардов лет существования Вселенной, вплоть до своего взрыва.
Если бы ПЧД находилась гораздо ближе, мы, вероятно, увидели бы её вспышку в гамма-лучах или другом излучении, которое бы сигнализировало о её взрыве. Если же она была слишком далеко, нейтрино были бы слишком рассеяны, чтобы одно из них достигло Земли.
Модели, в которых ПЧД составляют большую часть или всю тёмную материю, также предсказывают, что достаточное количество более мелких первичных чёрных дыр будет иметь нужную массу. Это означает, что одна из них могла бы пролететь мимо нашей Солнечной системы прямо в момент взрыва, вызвав выброс высокоэнергетических частиц, включая нейтрино, которое попало в нашу планету в нужном месте, чтобы активировать детектор KM3NET.
Карр, который вместе с Хокингом закрепил концепцию ПЧД, считает эту идею заманчивой и надеется, что впечатляющее нейтрино, обнаруженное KM3NET, является признаком того, что мы все-таки можем обнаружить первичные чёрные дыры. «Я работаю над изучением первичных чёрных дыр уже 50 лет, и никаких заявленных доказательств их существования не было, только ограничения, что очень печально», — отметил Карр. «Это может быть свидетельством взрывов чёрных дыр».
Поиски в космосе
Не все в этом убеждены. «Я не знаю, откуда взялось это нейтрино в KM3NET, но я готов поспорить на огромную сумму денег, что оно никак не связано с первичными чёрными дырами», — возражает Дэн Хупер, космолог из Университета Висконсина в Мэдисоне. Он утверждает, что если бы такие взрывающиеся чёрные дыры существовали, их было бы легко увидеть, «а мы их не видим», — добавил он. «Я думаю, что эту гипотезу можно полностью исключить».
Однако Хупер не против самой идеи существования ПЧД, и он работал над тем, чтобы понять, как они могли образоваться в период космической инфляции. По его словам, «существует множество способов, которыми они могли образоваться в ранней Вселенной».
Другие, например Эван Макдоноу, физик-теоретик из Университета Виннипега, более уверены в существовании ПЧД в наши дни. «Моё мнение состоит в том, что, вероятно, существует по крайней мере одна ПЧД поблизости», — сказал он. «Главный вопрос в том, существуют ли они в сколько-нибудь значительном количестве».
Приямвада Натараджан, теоретический астрофизик из Йельского университета, говорит, что, хотя по её мнению, ПЧД могут объяснить лишь небольшую часть тёмной материи, она заинтересована в них как в инструменте для изучения идей о тёмной материи за пределами двух наиболее популярных кандидатов: слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) и более лёгких аксионов. «ПЧД действительно заставляют нас переосмыслить проблему тёмной материи и не зацикливаться на WIMP и аксионах», — сказала она. «В этом смысле они важны с научной точки зрения. Они помогают мыслить шире и быть более открытыми».
Если первичные чёрные дыры существуют, есть несколько способов их обнаружения. Например, мы могли бы заметить сигнал в гравитационных волнах от слияния ПЧД, масса которых меньше массы звезды, но все же достаточно велика, чтобы наши приборы могли регистрировать гравитационные волны. Чёрные дыры такой массы должны были образоваться первичным путём.
Андреа Тамм из Массачусетского университета в Амхерсте и её коллеги в сентябре 2025 года предположили, что взрывающиеся чёрные дыры могут быть более распространены, чем считали теоретики, и их можно будет обнаружить в ближайшем будущем, если мы привлечём некоторые экзотические концепции физики.
В своей модели они предполагают, что частицы, известные как тёмные фотоны и тёмные электроны — варианты тёмной материи — могли снизить скорость излучения Хокинга ПЧД меньшей массы. Это может означать, что сегодня во Вселенной гораздо больше ПЧД находятся на заключительном этапе испарения. Если это так, Тамм и её коллеги предполагают, что при определённых условиях существует более чем 90% вероятность обнаружения взрыва первичной чёрной дыры в течение следующих 10 лет.
«В течение примерно 1000 секунд будут испускаться фотоны очень высокой энергии», — сказала Тамм, добавив, что существующие эксперименты, такие как обсерватория High-Altitude Water Cherenkov в Мексике, могут отслеживать подобные события. «А затем излучение внезапно прекратится, как только первичная чёрная дыра взорвётся».
Ещё одна оригинальная идея, предложенная Кайзером, заключается в том, что если ПЧД действительно попадают в диапазон масс астероидов и составляют большую часть или всю тёмную материю, то они должны периодически пролетать через нашу Солнечную систему со скоростью в сотни километров в секунду. В этом сценарии они могли бы оказывать заметное гравитационное воздействие.
Используя космические аппараты, вращающиеся вокруг Марса, сказал Кайзер, мы могли бы точно рассчитать расстояние от Земли до красной планеты и искать любые колебания, которые могли бы указывать на пролетающую мимо ПЧД. По его словам, в любой момент времени в Солнечной системе может находиться по крайней мере одна ПЧД, возможно, испускающая обнаруживаемое излучение Хокинга. Каждые три-десять лет одна из них будет приближаться к Марсу на расстояние, достаточное, чтобы вызвать крошечное, но измеримое изменение в движении планеты.
«Марс начнёт отклоняться от своей хорошо отслеживаемой орбиты на несколько десятков сантиметров», — сказал Кайзер. Он планирует работать над этой идеей с группой астрономов в течение следующих нескольких лет.
Помимо этого, Кайзер хочет следить за другими высокоэнергетическими нейтрино, чтобы проверить идею о том, что некоторые из них могут возникать в результате взрыва чёрных дыр. Доказать это сложно, поскольку такие нейтрино будут выглядеть так же, как и любые другие нейтрино, образующиеся из другого источника, если только их нельзя будет связать со вспышкой гамма-лучей в небе от взрыва ПЧД.
Таким образом, мы ещё не скоро узнаем, существуют ли первичные чёрные дыры, не говоря уже о том, являются ли они компонентами тёмной материи. Но пока учёные не исключают возможность того, что одна из них проскользнула мимо Земли почти три года назад, отправив одиночный сигнал в подводный нейтринный детектор.
«Цифры поразительно совпадают, учитывая, что изначально я говорил об этом полушутя», — сказал Кайзер.
Автор перевода @arielf
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.