Когда астрофизики наблюдают за космосом, они видят разные типы черных дыр. Они варьируются от гигантских сверхмассивных черных дыр с миллиардами солнечных масс до труднообнаружимых черных дыр промежуточной массы (ЧДД) и вплоть до меньших черных дыр звездной массы.
Но может существовать другой класс этих объектов: первичные черные дыры (ПЧД), образовавшиеся в самой ранней Вселенной. Если они существуют, Римский космический телескоп Нэнси Грейс сможет их обнаружить.
Черные дыры звездной массы образуются, когда массивные звезды взрываются как сверхновые. SMBH со временем растут за счет слияния с другими черными дырами. Как формируются IMBH, до сих пор неясно, но это может быть связано с слиянием черных дыр звездной массы или множественными звездными столкновениями в плотных звездных скоплениях.
Первичные черные дыры, если они существуют, не имели ни одного из этих механизмов.
«Если мы их найдем, это встряхнет область теоретической физики».
Уильям ДеРокко, постдокторант Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Никто не знает, существуют ли первичные черные дыры. Они теоретические. Никакой известный нам физический процесс не может их образовать. Но ранняя Вселенная была совсем другой.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, показывает, как предстоящий римский телескоп Нэнси Грейс сможет обнаружить эти первичные объекты земной массы. Он называется «Обнаружение первичных черных дыр земной массы с помощью римского космического телескопа Нэнси Грейс». Ведущий автор — Уильям ДеРокко, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крус.
через GIPHY
«Обнаружение популяции первичных черных дыр массой с Землю было бы невероятным шагом как для астрономии, так и для физики элементарных частиц, поскольку эти объекты не могут быть сформированы каким-либо известным физическим процессом», — сказал ведущий автор ДеРокко. «Если мы их найдем, это встряхнет область теоретической физики».
В современной Вселенной черными дырами могут стать только звезды с массой не менее восьми звезд. Менее массивные звезды станут нейтронными звездами или белыми карликами. (Солнце станет белым карликом.)
Но в ранней Вселенной все было иначе. В период быстрой инфляции пространство расширялось быстрее скорости света. В этих необычных условиях плотные территории могли распасться на ПЧД. Масштаб этих объектов удивительно мал. Они были бы размером с Землю или меньше, а горизонты событий были бы шириной с монету.
Наименее массивные из них исчезли бы из-за испарения. Вот что выяснил Стивен Хокинг. Но некоторые, такие же массивные, как Земля, могли бы выжить.
Несмотря на то, что они теоретические, есть некоторые очевидные намеки на их присутствие. Эти намеки исходят от гравитационного микролинзирования.
Две попытки использовали микролинзирование для изучения объектов во Вселенной. Одним из них является OGLE, эксперимент по оптическому гравитационному линзированию. Другой — MOA, «Микролинзовые наблюдения в астрофизике». OGLE обнаружил в космосе 17 изолированных объектов земной массы.
Эти объекты могут быть ПЧД или планетами-изгоями. К сожалению, отличить индивидуально очень сложно. Но поскольку теория предсказывает массы и обилие планет-изгоев, это может дать Римскому телескопу возможность отличить их от ПЧД.
«Невозможно отличить черные дыры земной массы от планет-изгоев в каждом конкретном случае», — сказал ДеРокко. «Роман будет чрезвычайно силен в различении этих двух статистических данных».
В своих исследованиях авторы объясняют это более подробно. «Ключевым моментом является то, что, хотя события PBH и FFP нельзя различать по отдельности, эти две популяции можно отличить по статистическому распределению длительности их событий». Ученые полагают, что Роман найдет в 10 раз больше объектов в этом диапазоне масс, чем наземные исследователи, такие как OGLE и MOA.
Обнаружение первичных черных дыр могло бы привести к большим потрясениям.
«Это повлияет на все: от формирования галактик до содержания темной материи во Вселенной и космической истории», — сказал Кайлаш Саху, астроном из Научного института космического телескопа в Балтиморе. Саху не участвовал в исследовании, но понимает, какое влияние окажут результаты. «Подтверждение их личности будет тяжелой работой, и астрономам потребуется немало убеждений, но оно того стоит».
Если римский космический телескоп сможет найти черные дыры и подтвердить их существование, это может стать определяющим моментом в астрономической истории. Это открытие могло бы стать убедительным свидетельством в пользу периода быстрой инфляции в ранней Вселенной, эпохи, которая до сих пор не доказана. Физики считают, что такой период должен был быть, поскольку он помогает объяснить многое во Вселенной.
Еще более интересно то, что эти первичные черные дыры могут содержать определенный процент темной материи. Небольшой процент, но значительное улучшение по сравнению с нашим нынешним пониманием того, что такое темная материя. Ученые продолжают искать такие вещи, как вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы) и другие частицы, которые могут быть темной материей, но так и не находят их.
«Природа темной материи остается одним из самых актуальных открытых вопросов фундаментальной физики. Хотя многочисленные убедительные доказательства указывают на его существование, его микрофизическая природа остается неизвестной», — объясняют авторы.
Элегантность римских и PBH в том, что их поиск не потребует особых усилий. Римлянин уже будет искать планеты. «Ожидается исследование Романом галактической выпуклости во временной области.
наблюдать сотни событий микролинзирования малой массы, что позволяет получить надежную статистическую характеристику
этого населения», — пишут авторы в своей статье.
через GIPHY
Каждый запуск космического телескопа — это новое окно в какой-то аспект Вселенной. Римский космический телескоп Нэнси Грейс точно будет. «Хотя его исследование во временной области галактического выступа нацелено на связанные и несвязанные экзопланеты, мы показали, что оно также будет иметь беспрецедентную чувствительность к физике за пределами Стандартной модели», — пишут ДеРокко и его коллеги в своей статье. Это потому, что он может «исследовать часть темной материи, состоящей из первичных черных дыр», пишут они.
«Это захватывающий пример того, что дополнительные ученые могут сделать с данными, которые Роман уже собирается получить в ходе поиска планет», — сказал Саху. «И результаты интересны, найдут ли ученые доказательства существования черных дыр земной массы. В любом случае это укрепило бы наше понимание Вселенной».
А кто не хочет более глубокого понимания Вселенной?
