Излучение Хокинга может стирать черные дыры по всей Вселенной — это старт эры новой физики

Первичные черные дыры (ПЧД), которые, как считается, образовались сразу после Большого взрыва, могут нагреваться и взрываться по всей Вселенной. Эти взрывы черных дыр, вызванные излучением Хокинга — квантовым процессом, в котором черные дыры генерируют частицы из вакуума из-за своих мощных гравитационных полей — могут быть обнаружены современными телескопами. Так считает команда ученых-физиков в новом исследовании, вышедшем в Journal of High Energy Physics. Тогда станет понятно, содержит ли наша Вселенная ранее не обнаруженные частицы.

Уже есть множество доказательств существования черных дыр, масса которых варьируется в диапазоне от нескольких масс Солнца до миллиардов масс Солнца. Эти черные дыры были напрямую обнаружены по гравитационным волнам, которые они испускают во время слияний, помогающих им расти. Некоторые черные дыры, такие как Стрелец А* Млечного Пути, даже были напрямую зафиксированы в виде «теней» с помощью Телескопа горизонта событий.

ПЧД, впервые обозначенные Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1967 году, как полагают, образовались в течение первых долей секунды после Большого взрыва и могли быть такими же маленькими, как субатомные частицы. В отличие от своих более крупных аналогов, которые образуются в результате коллапса массивных звезд и галактик, ПЧД могли возникнуть в результате коллапса сверхплотных областей в чрезвычайно горячем «первичном супе» частиц в ранней Вселенной.

Если они существуют, эти компактные объекты могли бы дать естественное объяснение темной материи — невидимой сущности, составляющей около 85% материи во Вселенной. Однако ПЧД остаются неуловимыми. Их теоретическое существование предполагается целым рядом космологических моделей, но их еще предстоит наблюдать напрямую.

Очень интересной является связь ПЧД с излучением Хокинга. Согласно квантовой теории, черные дыры не являются полностью «черными»; они могут испускать излучение и медленно терять массу посредством процесса, впервые предложенного Стивеном Хокингом. Это излучение, известное как излучение Хокинга, происходит, когда виртуальные пары частиц появляются и исчезают из вакуума пространства вблизи края черной дыры — ее «горизонта событий». Хотя эти пары обычно аннигилируют друг друга, если одна из них падает в черную дыру, другая может вырваться в виде излучения. Со временем это приводит к постепенному испарению черной дыры.

Для черных дыр с массой, превышающей несколько масс Солнца, излучение Хокинга практически нельзя обнаружить. Но более легкие черные дыры — такие как ПЧД  — будут намного горячее и испускать гораздо больше излучения, что потенциально позволит обнаружить этот процесс. Это излучение может включать в себя различные частицы, от фотонов до электронов и нейтрино.

По мере испарения ПЧД теряет массу, становится горячее и испускает больше излучения в петле обратной связи. В конце концов, черная дыра должна взорваться мощным всплеском излучения — процесс, который активно ищут существующие гамма- и нейтринные телескопы. Хотя пока не было обнаружено никаких окончательных взрывов ПЧД, новое исследование предполагает, что эти редкие события могут стать ключом к началу новой физики.

В недавнем исследовании представлены инновационные методы изучения ПЧД на последних стадиях испарения. Анализируя свойства излучения Хокинга, физики разработали инструменты для оценки массы и спина ПЧД. Отслеживание массы и вращения ПЧД по мере ее испарения может дать ценную информацию о ее формировании и эволюции.

В предыдущем исследовании эти же ученые выяснили, как теория струн — попытка объединить фундаментальные силы природы в рамках единой квантовой теории — может повлиять на испаряющуюся ПЧД. Теория струн предсказывает существование многочисленных частиц с малой массой, называемых аксионами, которые не имеют собственного спина. Исследование показало, что испускание аксионов может фактически раскручивать ПЧД, вопреки предсказаниям Хокинга. Вращающаяся ПЧД предоставила бы убедительные доказательства существования этих экзотических аксионов, потенциально способных произвести революцию в понимании физики элементарных частиц.

Кроме того, новое исследование предполагает, что анализ эволюции массы и спина ПЧД в последние моменты ее жизни может раскрыть существование других новых частиц. Отслеживая спектр излучения Хокинга, ученые могут различать модели физики частиц высоких энергий. Нейтринные телескопы, такие как IceCube, могут даже помочь обнаружить эти новые частицы, когда ПЧД взрываются в космосе. Если удастся поймать хотя бы одну взрывающуюся ПЧД и измерить ее излучение Хокинга, можно будет узнать очень многое о новых частицах и, возможно, усовершенствовать разработку будущих ускорителей частиц. Специальные эксперименты могут не понадобиться, поскольку несколько новых гамма- и нейтринных телескопов с беспрецедентной чувствительностью уже находятся в разработке. Они смогут легко обнаружить такую ПЧД, если она взорвется поблизости.