Экзотические черные дыры могут быть побочным продуктом темной материи

Все видимое вещество в нашей Вселенной составляет всего лишь небольшую часть её массы. Остальное — это таинственная «темная материя», которая не проявляется непосредственно, но оказывает влияние на видимые объекты своим притяжением. Однако что это за темная материя и как она образовалась, остается загадкой.


Физик Стивен Хокинг предложил одну из возможных гипотез: темная материя может состоять из «примордиальных» (первородных) черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Эти черные дыры были бы микроскопически малыми областями сверхплотного вещества, которые образовались в первую квинтиллионную долю секунды после Большого взрыва и затем разлетелись по Вселенной, оказывая воздействие на окружающее пространство-время.

Недавние исследования физиков Массачусетского технологического института (MIT) показали, что процесс образования первых черных дыр также мог породить необычных спутников — черные дыры с «цветовым зарядом». Эти самые маленькие, «сверхзаряженные» черные дыры представляли бы собой новое состояние вещества, которое, вероятно, испарилось через долю секунды после своего образования. Тем не менее они могли бы повлиять на ключевой космологический переход: момент образования первых атомных ядер.

Физики предполагают, что черные дыры с цветовым зарядом могли сказаться на балансе слияния ядер, что астрономы, возможно, смогут обнаружить в будущих исследованиях. Если такое наблюдение будет произведено, это станет убедительным доказательством того, что черные дыры — корни всей темной материи в нашей Вселенной.

Время до звезд

Черные дыры, которые мы сегодня знаем и обнаруживаем, являются результатом коллапса звезд, когда центр массивной звезды обрушивается в себя, образуя область настолько плотную, что она может изгибать пространство-время так, что все — даже свет — навсегда остается внутри. Такие «астрофизические» черные дыры могут быть в несколько раз массивнее Солнца, а иногда имеют во много миллиардов раз большую массу.

«Примордиальные» черные дыры, напротив, могут быть намного меньше и, как считается, образовались до появления звезд. Еще до того как Вселенная сформировала основные элементы, не говоря уже о звездах, вероятно, карманы ультраплотного, первородного вещества могли накапливаться и коллапсировать, образуя микроскопические черные дыры, которые могли быть настолько плотными, что сжимали массу астероида до размеров одного атома. Гравитационное воздействие этих маленьких, невидимых объектов, разбросанных по всей Вселенной, могло бы объяснить всю темную материю, которую мы регистрируем сегодня.

Если это так, то из чего были сделаны эти первородные черные дыры? Такой вопрос исследователи Кайзер и Алонсо-Монсальве рассмотрели в своем новом исследовании.


— Дэвид Кайзер.

Сверхзаряженные черные дыры

Физики из MIT сначала изучили существующие теории о вероятном распределении масс черных дыр во времена их первоначального образования в ранней Вселенной.


— Алонсо-Монсальве.

Авторы исследования рассчитали, что примордиальные черные дыры должны были образоваться в первый квинтиллион долей секунды после Большого взрыва. В этот момент образовались «типичные» микроскопические черные дыры, массой, сравнимой с астероидом, и размером, меньше атома. Также возникла небольшая доля экспоненциально меньших черных дыр, массой, сравнимой с носорогом, и размером, значительно меньшим одного протона.

Из чего состояли бы такие первородные черные дыры? Для ответа на этот вопрос ученые обратились к исследованиям, касающимся состава ранней Вселенной, и, в частности, к теории квантовой хромодинамики (QCD) — изучению взаимодействия кварков и глюонов.

Кварки и глюоны являются фундаментальными строительными блоками протонов и нейтронов — элементарных частиц, которые объединились, чтобы образовать основные элементы периодической таблицы. Сразу после Большого взрыва, по оценкам физиков на основе QCD, Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую плазму из кварков и глюонов, которая затем быстро охладилась и соединилась, образуя протоны и нейтроны.

Исследователи обнаружили, что в первый квинтиллион долей секунды Вселенная все еще была супом свободных кварков и глюонов, которые еще не соединились. Любые черные дыры, образовавшиеся в это время, поглотили бы свободные частицы, а также экзотическое свойство, известное как «цветовой заряд» — состояние заряда, которое несут только несоединенные кварки и глюоны.


— Алонсо-Монсальве.

Используя теорию QCD, они определили распределение цветового заряда, которое должно было существовать в горячей ранней плазме. Затем исследователи сравнили данные с размером области, которая обрушилась, чтобы образовать черную дыру в первый квинтиллион долей секунды. Оказалось, что в большинстве типичных черных дыр в то время цветового заряда было немного, так как они образовались, поглощая огромное количество областей с разными зарядами, которые в конечном итоге складывались в «нейтральный» заряд.

При этом самые маленькие черные дыры были насыщены цветовым зарядом. Фактически, они содержали максимальное количество любого типа заряда, разрешенного фундаментальными законами физики. В то время как такие «экстремальные» черные дыры предполагались десятилетиями, до сих пор никто не обнаружил реалистичного процесса, при котором такие странные объекты могли бы образоваться в нашей Вселенной.

Суперзаряженные черные дыры быстро испарились, но, возможно, только после того, как начали формироваться первые атомные ядра. Ученые предполагают, что описываемый процесс начался примерно через одну секунду после Большого взрыва, что дало экстремальным черным дырам достаточно времени, чтобы нарушить равновесные условия, которые были бы в то время, когда начали формироваться первые ядра. Такие нарушения могли бы повлиять на то, как образовались самые ранние ядра, и это, возможно, можно было бы наблюдать.