Иллюстрация маленьких первичных черных дыр. В действительности, таким крошечным черным дырам было бы трудно сформировать аккреционные диски, которые они делают видимыми здесь. Фото предоставлено: НАСА
Представьте себе формирование черной дыры, и вы, вероятно, вообразите массивную звезду, у которой заканчивается топливо и она коллапсирует сама в себя. Но хаотические условия в ранней Вселенной также могли привести к образованию множества маленьких черных дыр задолго до появления первых звезд.
Эти первичные черные дыры теоретизировались на протяжении десятилетий и, возможно, даже представляют собой вечно неуловимую темную материю, невидимую материю, которая составляет 85% общей массы Вселенной.
Однако первичная черная дыра никогда не наблюдалась.
Новое исследование, проведенное совместно с Университетом Буффало, предполагает думать как о большом, так и о малом, чтобы подтвердить их существование. Это говорит о том, что их сигнатуры могут варьироваться от очень больших – полых планетоидов в космосе – до крошечных – микроскопических туннелей в повседневных материалах, встречающихся на Земле, таких как камни, металл и стекло.
Теоретическое исследование, которое будет опубликовано в декабрьском выпуске журнала Physics of the Dark Universe и теперь доступно в Интернете, утверждает, что первичная черная дыра, запертая в большом каменистом объекте в космосе, поглотит его жидкое ядро и оставит его пустым. Альтернативно, более быстрая первичная черная дыра могла бы оставлять прямые туннели, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, когда она проходит через твердый материал, включая материал здесь, на Земле.
«Шансы найти эти сигнатуры невелики, но их поиск не потребует много ресурсов, а потенциальная выгода от того, что вы станете первым свидетельством существования древней черной дыры, будет огромной», — говорит соавтор исследования Деян Стойкович, доктор философии. , профессор физики Колледжа искусств и наук Университетского университета. «Нам нужно мыслить нестандартно, потому что то, что было сделано для поиска древних черных дыр, не сработало».
В ходе исследования было подсчитано, насколько большим может быть полый планетоид, не коллапсируя сам по себе, а также вероятность того, что первичная черная дыра проникнет в объект на Земле. (Если вы беспокоитесь о том, что через вас пролетит древняя черная дыра, вам не нужно. Исследование пришло к выводу, что это не будет фатально.)
«Из-за такой высокой вероятности мы сосредоточились на надежных маркерах, которые существовали тысячи, миллионы или даже миллиарды лет», — говорит соавтор Де-Чанг Дай, доктор философии из Национального университета Донг Хва и Case Western Reserve. Университет.
Полые объекты могут занимать не более 1/10 площади Земли.
Поскольку после Большого взрыва Вселенная быстро расширялась, области космоса могли быть более плотными, чем их окружение, что привело к их коллапсу и образованию первичных черных дыр (ПЧД).
ПЧД будут иметь гораздо меньшую массу, чем звездные черные дыры, позже образовавшиеся из умирающих звезд, но все равно будут чрезвычайно плотными, как масса горы, сконденсированной в область размером с атом.
Стойкович, который ранее предположил, где теоретически можно найти червоточины, задался вопросом, была ли когда-либо ЧДД в ловушке на планете, луне или астероиде во время или после ее формирования.
«Если объект имеет жидкое центральное ядро, захваченная ЧДД может поглотить жидкое ядро, плотность которого выше, чем плотность внешнего твердого слоя», — говорит Стойкович.
Затем PBH могла бы покинуть объект, если бы объект столкнулся с астероидом, не оставив после себя ничего, кроме полой оболочки.
Но будет ли такая оболочка достаточно прочной, чтобы выдержать себя, или она просто рухнет под действием собственного напряжения? Сравнивая прочность природных материалов, таких как гранит и железо, с поверхностным натяжением и поверхностной плотностью, исследователи подсчитали, что такой полый объект не может быть больше одной десятой радиуса Земли, что делает его скорее малой планетой, чем настоящей. одни планеты.
«Если он станет еще больше, он рухнет», — говорит Стойкович.
Эти полые объекты можно было обнаружить с помощью телескопов. Массу и, следовательно, плотность можно определить, исследуя орбиту объекта.
«Если плотность объекта слишком мала для его размера, это верный признак того, что он полый», — говорит Стойкович.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Обычные объекты могут быть детекторами черных дыр
Исследование предполагает, что для объектов без жидкого ядра ПЧД могут просто пройти через прямой туннель и оставить позади. Например, ПЧД массой 1022 грамма оставила бы туннель толщиной 0,1 микрометра.
Большая пластина из металла или другого материала могла бы служить эффективным детектором черных дыр, отслеживая ее внезапное появление этих туннелей. Но Стойович говорит, что найти существующие туннели, сделанные из очень старого материала — из сотен зданий — будет больше шансов, возрастом от нескольких лет до камней, возраст которых составляет миллиарды лет.
Но даже если предположить, что темная материя на самом деле состоит из ЧДД, они подсчитали, что вероятность проникновения ЧДД в валун возрастом в миллиард лет равна 0,000001.
«Необходимо сопоставить затраты и выгоды. Много ли стоит это сделать? Нет, это не так», — говорит Стойкович.
Таким образом, шансы на то, что вы столкнетесь с ПБГ в своей жизни, по меньшей мере, невелики. Даже если бы вы это сделали, вы, вероятно, не заметили бы.
В отличие от камня, человеческая ткань имеет низкое напряжение, поэтому ЧБД ее не разорвет. И хотя кинетическая энергия ПЧД может быть огромной, она не может высвободить большую часть ее при столкновении, поскольку движется очень быстро.
«Когда снаряд движется через среду со скоростью, превышающей скорость звука, молекулярная структура среды не успевает отреагировать», — говорит Стойкович. «Бросьте камень в окно, и он, скорее всего, разобьется. Если вы выстрелите в окно, скорее всего, останется дыра».
Требуются новые теоретические основы
Подобные теоретические исследования имеют решающее значение, говорит Стойкович, указывая на то, что многие физические концепции, которые когда-то казались неправдоподобными, теперь считаются вероятными.
Эта область, добавляет Стойкович, в настоящее время сталкивается с некоторыми серьезными проблемами, в том числе с темной материей. Последним крупным революциям – квантовой механике и общей теории относительности – исполнилось столетие.
«Самые умные люди планеты работали над этими проблемами уже 80 лет и до сих пор не решили их», — говорит он. «Нам не нужно простое расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура».
Информация от: Университетом Буффало.
