Екзотичні чорні діри можуть бути побічним продуктом темної матерії

На кожен кілограм матерії, яку ми можемо бачити — від комп’ютера на вашому столі до далеких зірок і галактик — припадає 5 кілограмів невидимої матерії, яка наповнює наше оточення. Ця «темна матерія» є таємничою сутністю, яка уникає будь-яких форм прямого спостереження, але відчуває свою присутність завдяки невидимому впливу на видимі об’єкти.

П’ятдесят років тому фізик Стівен Гокінг запропонував одну ідею того, що може являти собою темна матерія: популяція чорних дір, яка могла утворитися дуже скоро після Великого вибуху.

Такі «первісні» чорні діри були б не тими голіафами, які ми виявляємо сьогодні, а радше мікроскопічними областями надщільної матерії, які утворилися б у першу квінтильйонну частку секунди після Великого вибуху, а потім зруйнувалися й розпорошилися по всьому космосу, тягнучи за собою оточуючий простір-час способами, які могли б пояснити темну матерію, яку ми знаємо сьогодні.

Тепер фізики Массачусетського технологічного інституту виявили, що цей первісний процес також міг створити деяких несподіваних супутників: ще менші чорні діри з безпрецедентною кількістю ядерно-фізичної властивості, відомої як «колірний заряд».

Ці найменші, «надзаряджені» чорні діри були б абсолютно новим станом матерії, яка, ймовірно, випарувалася через частки секунди після їх появи. Проте вони все ще могли вплинути на ключовий космологічний перехід: час, коли було створено перші атомні ядра.

Фізики припускають, що заряджені кольором чорні діри могли вплинути на баланс ядер, що зливаються, таким чином, що колись астрономи могли б виявити під час майбутніх вимірювань. Таке спостереження переконливо вкаже на первісні чорні діри як корінь усієї темної матерії сьогодні.

«Незважаючи на те, що цих короткочасних, екзотичних істот сьогодні немає, вони могли вплинути на історію космосу таким чином, що може виявлятися в тонких сигналах сьогодні», — каже Девід Кайзер, професор історії науки Гермесгаузена та професор фізики в MIT. «У межах ідеї, що всю темну матерію можна пояснити чорними дірами, це дає нам нові речі для пошуку».

Кайзер і його співавтор, аспірант Массачусетського технологічного інституту Ельба Алонсо-Монсалве, опублікували своє дослідження в журналі Physical Review Letters.

Час до зірок

Чорні діри, які ми знаємо та виявляємо сьогодні, є продуктом колапсу зірок, коли центр масивної зірки прогинається сам по собі, утворюючи настільки щільну область, що може викривляти простір-час так, що будь-що, навіть світло, потрапляє всередину. . Такі «астрофізичні» чорні діри можуть бути в кілька разів масивнішими за Сонце до багатьох мільярдів разів масивніше.

«Первісні» чорні діри, навпаки, можуть бути набагато меншими і, як вважають, утворилися ще до зірок. Ще до того, як у Всесвіті були створені основні елементи, не кажучи вже про зірки, вчені вважають, що кишені надщільної первісної матерії могли накопичуватися та руйнуватися, утворюючи мікроскопічні чорні діри, які могли бути настільки щільними, що стискали масу астероїда в область розміром з одиничний атом. Гравітаційне тяжіння від цих крихітних невидимих ​​об’єктів, розкиданих по всьому Всесвіту, може пояснити всю темну матерію, яку ми сьогодні не можемо побачити.

Якби це було так, то з чого були б зроблені ці первісні чорні діри? Це питання поставили Кайзер і Алонсо-Монсалве у своєму новому дослідженні.

«Люди вивчали, яким буде розподіл мас чорних дір під час цього раннього утворення Всесвіту, але ніколи не прив’язували це до того, які речовини впали б у ці чорні діри під час їх формування», — пояснює Кайзер.

Надзаряджені носороги

Фізики Массачусетського технологічного інституту спершу розглянули існуючі теорії ймовірного розподілу мас чорних дір, коли вони вперше утворювалися в ранньому Всесвіті.

«Наше усвідомлення полягало в тому, що існує пряма кореляція між часом утворення первісної чорної діри та її масою», — каже Алонсо-Монсальве. «І цей проміжок часу є абсурдно раннім».

Вона та Кайзер підрахували, що первісні чорні діри мали утворитися протягом першої квінтильйонної частки секунди після Великого вибуху. Цей спалах часу породив би «типові» мікроскопічні чорні діри, масивні як астероїд і малі як атом. Це також дало б невелику частку експоненціально менших чорних дір, з масою носорога та розміром, набагато меншим за один протон.

З чого були зроблені ці первісні чорні діри? Для цього вони звернулися до досліджень, що вивчають склад раннього Всесвіту, і, зокрема, до теорії квантової хромодинаміки (КХД) — дослідження того, як взаємодіють кварки та глюони.

Кварки та глюони є фундаментальними будівельними блоками протонів і нейтронів — елементарних частинок, які об’єдналися, щоб створити основні елементи періодичної системи. Одразу після Великого вибуху фізики оцінюють, ґрунтуючись на КХД, що Всесвіт був надзвичайно гарячою плазмою кварків і глюонів, які потім швидко охолоджувались і об’єднувалися, створюючи протони та нейтрони.

Дослідники виявили, що протягом першої квінтильйонної частки секунди Всесвіт все ще був би супом із вільних кварків і глюонів, яким ще належить об’єднатися. Будь-які чорні діри, які утворилися в цей час, поглинули б незв’язані частинки разом з екзотичною властивістю, відомою як «колірний заряд» — стан заряду, який мають лише некомбіновані кварки та глюони.

«Після того, як ми з’ясували, що ці чорні діри утворюються у кварк-глюонній плазмі, найважливіше, що нам потрібно було з’ясувати, це те, скільки кольорового заряду міститься в згустку матерії, яка в кінцевому підсумку опиниться в первісній чорній дірі?» – каже Алонсо-Монсальве.

Використовуючи теорію КХД, вони розробили розподіл кольорового заряду, який мав існувати в гарячій ранній плазмі. Потім вони порівняли це з розміром області, яка зруйнується, утворивши чорну діру за першу квінтильйонну частку секунди. Виявляється, у більшості типових чорних дір на той час не було б великого кольорового заряду, оскільки вони утворилися б шляхом поглинання величезної кількості областей із сумішшю зарядів, що зрештою призвело б до «нейтрального»» заряд.

Але найменші чорні діри були б наповнені кольоровим зарядом. Насправді вони містили б максимальну кількість будь-якого типу заряду, дозволеного для чорної діри, згідно з фундаментальними законами фізики. У той час як гіпотези про такі «екстремальні» чорні діри висловлювалися десятиліттями, досі ніхто не виявив реалістичного процесу, за допомогою якого такі дивацтва справді могли утворитися у нашому Всесвіті.

Надзаряджені чорні діри швидко випарувалися б, але, можливо, лише після того, як почали утворюватися перші атомні ядра. За оцінками вчених, цей процес почався приблизно через одну секунду після Великого вибуху, що дало б екстремальним чорним дірам достатньо часу, щоб порушити умови рівноваги, які мали б панувати, коли почали формуватися перші ядра. Такі збурення можуть потенційно вплинути на те, як утворилися ці найдавніші ядра, таким чином, що колись можна буде спостерігати.

«Ці об’єкти могли залишити захоплюючі відбитки спостережень», — міркує Алонсо-Монсальве. «Вони могли змінити баланс між цим і тим, і це те, про що можна почати дивуватися».