Ранняя Вселенная была странным местом. В начале своей истории – в первую квинтиллионную долю секунды – весь космос представлял собой не что иное, как потрясающе горячую плазму. И, по мнению исследователей из Массачусетского технологического института (MIT), этот суп из кварков и глюонов сопровождался образованием странных маленьких первичных черных дыр (PHB). Вполне возможно, что эти давно исчезнувшие PHB могли быть корнем темной материи.
Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института и аспирантка Эльба Алонсо-Монсальве предполагают, что такие ранние сверхзаряженные черные дыры, скорее всего, были новым состоянием материи, которого мы не наблюдаем в современном космосе. «Несмотря на то, что этих недолговечных экзотических существ сегодня не существует, они могли повлиять на космическую историю таким образом, который сегодня может проявиться в тонких сигналах», — сказал Кайзер. «В рамках идеи о том, что вся темная материя может быть объяснена черными дырами, это дает нам новые возможности для поиска». Это означает новый способ поиска происхождения темной материи.
Темная материя загадочна. Никто еще не наблюдал этого напрямую. Однако его влияние на обычную «барионную» материю является обнаруживаемый. У ученых есть много предположений о том, чем может быть темная материя, но пока они не смогут ее наблюдать, трудно точно сказать, что это за вещество. Черные дыры могут быть вероятными кандидатами. Но массы всех наблюдаемых недостаточно, чтобы объяснить количество темной материи в космосе. Однако связь с черными дырами все же может существовать.
Черные дыры в космическом времени
Большинству из нас знакомо представление как минимум о двух типах черных дыр: звездной массы и сверхмассивных. Существует также популяция черных дыр промежуточной массы, которые встречаются редко. Объекты звездной массы образуются, когда массивные звезды взрываются как сверхновые и коллапсируют, образуя черные дыры. Они существуют во многих галактиках. Сверхмассивные агрегируют вместе многие миллионы солнечных масс. Они формируются «иерархически» из более мелких и существуют в сердцах галактик. Среднемассовые, вероятно, также формируются иерархически и могут быть скрытым связующим звеном между двумя другими типами.
Черные дыры формировались на протяжении всей истории Вселенной. Вот почему идея первичных черных дыр не является такой уж неожиданной, хотя и остается неуловимой. В своем очень примитивном состоянии они были бы сверхплотными объектами с массой астероида, вдавленными в нечто размером с атом. Вероятно, они длились недолго — возможно, еще одну квинтиллионную долю секунды. После формирования они либо исчезли, либо рассеялись по расширяющейся Вселенной.
Связь между первичными черными дырами и темной материей
Итак, как же эти странные PHB могли повлиять на образование темной материи, если они так быстро появлялись и исчезали? Вот тут-то и пригодится работа Кайзера и его ученика. Они предполагают, что, когда первые PHB рассеялись, они каким-то образом «потянули» пространство-время и изменили что-то, что могло бы объяснить темную материю. Тот же самый процесс мог бы привести к образованию еще меньших черных дыр с любопытным свойством, называемым «цветовой заряд». И есть связь с темной материей.
«Цветовой заряд» — свойство кварков и глюонов, и в конечном итоге он склеивает их вместе. Думайте об этом как о «суперзаряде». Кайзер и Алонсо-Монсальве предполагают, что некоторые из самых ранних PHB обладали этим «суперзарядом» точно так же, как он был у кварков и глюонов. Если это правда, то самые ранние PHB с суперцветным зарядом представляли собой совершенно новое состояние материи. Мы их больше не видим, потому что они, скорее всего, испарились через долю секунды после появления. Но их существование было необходимо, в частности, для образования темной материи.
Однако даже за свою короткую жизнь самые ранние ПГБ с наддувом могли повлиять на ключевой космологический переход: время, когда были созданы первые атомные ядра. Эти заряженные цветом черные дыры могли повлиять на баланс сливающихся ядер. И они могли бы сделать это так, чтобы астрономы когда-нибудь могли обнаружить это с помощью будущих измерений. Такое наблюдение убедительно указало бы на то, что первичные черные дыры являются основой всей темной материи сегодня.
Из чего были сделаны эти ранние PHB?
Если эти PHB действительно существовали, из чего ОНИ были сделаны? В отличие от других черных дыр, существует не так уж много свидетельств того, что что-то вроде звезды или другой черной дыры «родило» эти ранние дыры. Чтобы разобраться в этом, Алонсо-Монсальве и Кайзер провели небольшое исследование. Они рассчитали, что «эра» формирования ПГБ произошла сразу после Большого взрыва. «Типичные» микроскопические черные дыры образовались за этот короткий «мгновение времени». Они были бы такими же массивными, как астероид, и такими же маленькими, как атом. Но они также обнаружили, что возникла крошечная популяция экспоненциально меньших черных дыр. Они имели массу носорога и размер, намного меньший, чем одиночный протон.
Этот процесс, вероятно, начался примерно через секунду после Большого взрыва. Это дало всем этим ПЧД достаточно времени, чтобы нарушить условия равновесия, которые преобладали бы, когда из кварк-глюонной плазмы начали формироваться первые ядра. Сверхзаряженные черные дыры быстро испарились бы. Вероятно, это произошло примерно в то время, когда начали формироваться первые атомные ядра. «Эти объекты могли оставить некоторые захватывающие наблюдательные следы», — сказал Алонсо-Монсальве. «Они могли бы изменить баланс между тем и этим, и это то, о чем можно задуматься».
От плазмы к PHB и темной материи
Что послужило причиной образования этих недолговечных черных дыр? Кварк-глюонная плазма. И в нем должно быть распределение «цветового заряда». Кайзер и Алонсо-Монсальве определили размер области плазмы, которая может коллапсировать с образованием ПЧД. Оказывается, в большинстве типичных черных дыр, образовавшихся в тот момент, не было большого цветового заряда. Это потому, что они, вероятно, образовались путем поглощения огромного количества регионов, имевших разную направленность. Таким образом, они не будут «перегружены».
Но самые маленькие черные дыры имели бы сильный цветовой заряд. Они содержали бы максимальное количество зарядов любого типа, допустимое для черной дыры. И своим формированием они вполне могли произвести малейшие изменения, которые привели к образованию темной материи.
Для дополнительной информации
Экзотические черные дыры могут быть побочным продуктом темной материи
Препринт: Первичные черные дыры с цветовым зарядом КХД
