Малые первичные черные дыры (ПЧД) сегодня являются одной из горячих тем в астрономии и космологии. Предполагается, что эти гипотетические черные дыры образовались вскоре после Большого взрыва из карманов субатомной материи, которые были настолько плотными, что подверглись гравитационному коллапсу. В настоящее время ПЧД считаются кандидатами в темную материю, возможным источником первичных гравитационных волн и решением различных проблем физики. Однако до сих пор не наблюдалось однозначного кандидата на ПЧД, что привело к предположениям о том, как мы могли бы найти эти миниатюрные черные дыры.
Недавние исследования показывают, что нейтронные звезды и карликовые звезды главной последовательности могут содержать внутри себя небольшие PBH, которые медленно истощают запасы газа. В недавнем исследовании группа физиков расширила эту идею, включив новый способ потенциального обнаружения PBH. В принципе, мы могли бы исследовать внутреннюю часть таких объектов, как планеты и астероиды, или использовать большие металлические пластины или пластины для обнаружения ЧДД на предмет признаков их прохождения. Обнаружив микроканалы, которые оставят после себя эти тела, ученые смогут наконец подтвердить существование ПЧД и пролить свет на некоторые из величайших загадок современной космологии.
Исследование возглавили Де-Чанг Дай, физик из Национального университета Донг Хва на Тайване и Центра образования и исследований в области космологии и астрофизики (CERCA) Университета Кейс Вестерн Резерв, и Деян Стойкович, физик из Института физики высоких энергий и физики высоких энергий. руководил группой космологии в Государственном университете Нью-Йорка в Буффало. Статья с подробным описанием результатов недавно появилась в Интернете и в настоящее время рассматривается для публикации в журнале. Физика Темной Вселенной.
Ученые были очарованы ЧДД на протяжении десятилетий, с тех пор как российские ученые Игорь Новиков и Яков Зельдович предсказали их существование в 1966 году. Они также были источником интереса для Стивена Хокинга, чья работа над ПЧД привела к его революционному открытию в 1974 году, что черные дыры способны со временем испаряться. В то время как черным дырам большего и среднего размера потребуется больше времени, чтобы испариться, чем нынешний возраст Вселенной (около 13,8 миллиардов лет), меньшие ПЧД, возможно, уже сделали это или находятся в процессе испарения.
Однако в последние годы интерес к ПЧД пережил возрождение, поскольку они служат кандидатами в темную материю, источником первичных гравитационных волн (ГВ) и многого другого. Как и темная материя, ее существование могло бы помочь разгадать некоторые важные космологические загадки, но никаких подтвержденных наблюдений еще не было сделано. Как Де-Чанг и Стойкович рассказали Universe Today по электронной почте, именно это побудило их предложить новые методы обнаружения:
«Если астероид, луна или малая планета (планетоид) имеет жидкое ядро, окруженное твердой корой, то небольшая ЧДД сравнительно быстро (в течение недель или месяцев) поглощает плотное жидкое ядро. Кора остается неповрежденной, если материал достаточно прочен, чтобы выдержать силу гравитации. Таким образом мы получаем полую конструкцию. Когда центральная черная дыра будет выброшена (из-за столкновения с другими объектами), ее плотность будет ниже обычной плотности скалистого объекта с жидким ядром».
Кроме того, Де-Чанг и Стойкович рассчитали гравитационное напряжение, которое могут создать небольшие ПЧД. Затем они сравнили это с прочностью на сжатие материалов, составляющих земную кору, таких как силикатные минералы (горные породы), железо и другие элементы. Они также рассмотрели самые прочные из существующих материалов, такие как многостенные углеродные нанотрубки. «Например, мы обнаружили, что гранит может поддерживать полые конструкции радиусом до одной десятой радиуса Земли», — сказал Стойкович. «Вот почему нам следует сосредоточиться на планетоидах, лунах или астероидах».
Эти расчеты дают возможность искать доказательства существования ЧДД в космосе и здесь, на Земле. Возможные кандидаты на планетоиды, спутники или астероиды могут быть идентифицированы в нашей Солнечной системе путем наблюдения за их массой и радиусом, чтобы получить оценку их плотности. Это позволит астрономам идентифицировать потенциально полые объекты для последующих исследований с помощью зондов, спускаемых аппаратов и других роботизированных космических миссий. В качестве альтернативы они рекомендуют создать датчики, которые будут искать PBH, обнаруживая их прохождение. Стойкович сказал:
«Когда небольшая ПЧД проникает в твердый материал, она оставляет прямой длинный туннель радиусом, сравнимым с радиусом ПЧД. Например 1023 g PBH должна выходить из туннеля радиусом 0,1 микрометра. [The energies] которые могут иметь такие PBH, значительны, но [the energies] которые они хранят в материале, очень низки. Фактически, такая ЧЧД может даже пройти через тело человека, и мы даже не заметим этого, потому что ткани человеческого тела имеют очень низкое напряжение».
Это позволяет ученым искать микротоннели в повседневных материалах, которые лежат вокруг нас (например, в стекле или камнях). В то же время, говорят Де-Чанг и Стойкович, для этой цели можно было бы изготовить большие плиты полированного металла. Подобно обнаружению нейтрино, эти пластины необходимо будет изолировать, чтобы можно было зарегистрировать любое внезапное изменение их свойств. «Ожидаемый поток этих ЧДД очень мал, и мы можем в конечном итоге ничего не найти, но потенциальная выгода от поиска ЧДД будет огромной, тем более что такие эксперименты будут очень недорогими», — сказал Стойкович.
Де-Чанг добавил, что в последние годы высказывались предположения, что некоторые первичные черные дыры могут быть скрыты в звездах. Стивен Хокинг однажды предложил эту идею, которая легла в основу двух исследований: одного в 2019 году и одного в прошлом году. «Также есть подозрения, что первичные черные дыры могут излучать гамма-лучи. Сильные гамма-лучи в гало темной материи Млечного Пути могут быть хорошим показателем существования первичных черных дыр», — сказал Де-Чанг. «Гравитационное микролинзирование может быть еще одним способом идентификации первоначальных черных дыр».
Дальнейшее чтение: arXiv
