На самом рассвете нашей Вселенной черные дыры могли образоваться способом, сильно отличающимся от известного сейчас. По крайней мере так утверждают некоторые теории. А доказательства в их подтверждение, как оказалось, могут скрываться совсем рядом.
Первичные черные дыры и их следы
Представьте себе образование черной дыры, и вы, наверное, представите массивную звезду, у которой заканчивается топливо и она коллапсирует сама на себя. Однако хаотические условия ранней Вселенной могли также позволить образоваться многим маленьким черным дырам задолго до появления первых звезд.
Эти первоначальные черные дыры теоретически существовали в течение десятилетий и даже могли быть вечно неуловимой темной материей, невидимой материей, на которую приходится 85% общей массы Вселенной.
До сих пор ни одной первичной черной дыры не наблюдали
Новое исследование, проведенное под руководством Университета Буффало, предлагает рассмотреть как большие, так и малые формы, чтобы подтвердить их существование, предполагая, что их признаки могут варьироваться от очень больших полых планетоидов в космосе до микроскопических туннелей в повседневных материалах, найденных на Земле, таких как камни, металл и стекло.
Теоретическое исследование, которое должно быть опубликовано в декабрьском номере журнала Physics of the Dark Universe, утверждает, что первичная черная дыра (ПЧД), оказавшаяся в ловушке в большом каменистом объекте в космосе, поглотила бы его жидкое ядро и оставила бы его полым. С другой стороны, ПЧД может оставить после себя прямые туннели, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, если она пройдет сквозь твердый материал, включая материал прямо здесь, на Земле.
«Шансы найти эти подписи невелики, но их поиск не потребует много ресурсов, а потенциальная отдача — первые доказательства существования первичной черной дыры — будет огромной, — говорит соавтор исследования Деян Стойкович, доктор философии, профессор физики в Колледже искусств и наук Университета Буффало. — Мы должны мыслить нестандартно, потому что то, что было сделано для поиска первичных черных дыр раньше, не сработало».
В исследовании было подсчитано, насколько большим может быть полый планетоид, не разрушаясь, и вероятность того, что первобытная черная дыра пройдет сквозь объект на Земле.
Поиск следов черных дыр в полых объектах
Когда Вселенная быстро расширялась после Большого взрыва, отдельные участки пространства могли быть плотнее, чем их окружение, что привело к их коллапсу и образованию первичных черных дыр.
ПЧД имели бы гораздо меньшую массу, чем звездные черные дыры, которые позже образовались от умирающих светил, но они все равно были бы чрезвычайно плотными, как масса горы, спрессованная в области размером с атом.
Стойкович, который ранее предлагал, где искать теоретические червоточины, задается вопросом, не попадала ли ПЧД в ловушку планеты, спутника или астероида во время или после своего образования.
«Если объект имеет жидкое центральное ядро, то захваченная ПЧД может поглотить жидкое ядро, плотность которого выше плотности внешнего твердого слоя», — говорит Стойкович.
Если объект столкнется с астероидом, ПЧД может вылететь из него, не оставив после себя ничего, кроме пустой оболочки.
Но будет ли такая оболочка достаточно прочной, чтобы поддерживать себя, или она просто разрушится под действием собственного натяжения? Сравнивая прочность природных материалов, таких как гранит и железо, с поверхностным натяжением и поверхностной плотностью, исследователи подсчитали, что такой полый объект может быть не более одной десятой радиуса Земли, что делает его более похожим на малую планету, чем на настоящую планету.
«Если он будет больше этого размера, он разрушится», — говорит Стойкович.
Эти полые объекты могут быть обнаружены с помощью телескопов. Массу, а следовательно, и плотность, можно определить, изучая орбиту объекта.
Повседневные предметы могут быть детекторами черных дыр
Согласно исследованию, для объектов без жидкого ядра черные дыры могут просто проходить сквозь них и оставлять после себя прямой туннель. Например, черная дыра массой 1022 грамма оставила бы после себя туннель толщиной 0,1 микрона.
Большая плита металла или другого материала могла бы служить эффективным детектором черных дыр, отслеживая внезапное появление этих туннелей, но Стойкович говорит, что шансы на поиск существующих туннелей в очень старых материалах — от зданий, которым сотни лет, до скал, которым миллиарды лет, — были бы больше.
Однако, даже если предположить, что темная материя действительно состоит из ПЧД, они подсчитали, что вероятность прохождения ПЧД сквозь валун, которому миллиард лет, составляет 0,000001.
Следовательно, вероятность того, что ПЧД пройдет через вас в течение вашей жизни, мягко говоря, невелика. Даже если бы это произошло, вы, вероятно, не заметили бы этого.
В отличие от камня, человеческая ткань имеет небольшую напряженность, поэтому ПЧД не разорвет ее на части. И хотя кинетическая энергия ПЧД может быть огромной, во время столкновения она не может высвободить много энергии, поскольку движется очень быстро.
Нужны новые теоретические рамки
Теоретические исследования, подобные этому, имеют решающее значение, говорит Стойкович, отмечая, что многие физические концепции, которые когда-то казались неправдоподобными, теперь считаются вероятными.
Сейчас эта отрасль, добавляет Стойкович, сталкивается с некоторыми серьезными проблемами, среди которых — темная материя. Последним крупным революциям в этой области – квантовой механике и общей теории относительности — уже сто лет.
«Самые умные люди на планете работают над этими проблемами уже 80 лет и до сих пор не решили их, — говорит он. «Нам не нужно простое расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура».
Нужны новые теоретические рамки
Теоретические исследования, подобные этому, имеют решающее значение, говорит Стойкович, отмечая, что многие физические концепции, которые когда-то казались неправдоподобными, теперь считаются вероятными.
Сейчас эта отрасль, добавляет Стойкович, сталкивается с некоторыми серьезными проблемами, среди которых — темная материя. Последним крупным революциям в этой области — квантовой механике и общей теории относительности – уже сто лет.
«Самые умные люди на планете работают над этими проблемами уже 80 лет и до сих пор не решили их, — говорит он. — Нам не нужно простое расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура».
По материалам phys.org
