Як ми можемо виявити первинні чорні діри розміром з атом?

Запропоновано метод виявлення первинної чорної діри внаслідок її взаємодії з нейтронною зіркою, що обертається повільно.

Про це для видання The Conversation розповідає Оскар дель Барко Новільо з кафедри прикладної фізики Університету Сарагоси, передають OstanniPodii.com.

Одним з найбільш гостроцікавих передбачень загальної теорії відносності Ейнштейна є існування чорних дір: астрономічних об'єктів з гравітаційними полями настільки сильними, що навіть світло не може їх покинути.

Новини за подібною темою:

		"Вебб" виявив, що чорні діри швидко зупиняють зореутворення у масивних галактиках
		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри

Коли у досить масивної зірки закінчується паливо, вона вибухає, а ядро, що залишилося, колапсує, що призводить до утворення зоряної чорної діри (від 3 до 100 сонячних мас).

Надмасивні чорні діри також існують у центрі більшості галактик. Чорні діри цього типу найбільші — містять від ста тисяч до десяти мільярдів мас Сонця.

На сьогодні астрономи отримали зображення двох надмасивних чорних дір: однієї в центрі галактики М87 і найостаннішої — в нашому Чумацькому Шляху (Стрілець А*). Анімація показує порівняння розмірів цих двох гігантів:

Однак вважається, що існує ще один вид чорних дір — первинні або примітивні чорні діри (ПЧД). Вони мають відмінне від інших чорних дір походження, утворившись у ранньому Всесвіті внаслідок гравітаційного колапсу надзвичайно щільних областей.

Теоретично, ці первинні чорні діри можуть мати будь-яку масу та мати розміри від субатомної частинки до кількох сотень кілометрів. Наприклад, ПЧД з масою, еквівалентною масі гори Еверест, може мати розмір атома.

Ці крихітні чорні діри втрачають масу швидше, ніж їхні масивні побратими, випускаючи так зване випромінювання Гокінга, доки остаточно не випаруються.

Досі астрономам не вдавалося спостерігати ПЧД. Ця тема є предметом постійних досліджень, оскільки припускається, що ці надкомпактні об'єкти можуть бути частиною давно шуканої темної матерії Всесвіту.

Альтернативний сценарій виявлення первинних чорних дір розміром з атом запропоновано у нещодавній публікації в “Щомісячних повідомленнях Королівського астрономічного товариства”. У цьому дослідженні вивчається характерний сигнал взаємодії між однією з цих крихітних чорних дір та одним з найщільніших об'єктів у Всесвіті (нейтронною зіркою).

Перш ніж розпочати розгляд цієї нової астрофізичної моделі, прокоментуймо основні характеристики цих дивовижних зірок.

Один з найщільніших об'єктів у Всесвіті

Як уже йшлося раніше, коли у масивної зірки закінчується паливо, вона вибухає, і її ядро колапсує, внаслідок чого утворюється зоряна чорна діра. Слід підкреслити, що це відбувається не у всіх випадках: наприклад, якщо маса ядра при його колапсі менша приблизно за три маси Сонця, утворюється нейтронна зоря.

Це дуже маленькі та надзвичайно щільні об'єкти. Наприклад, розглянемо зірку з масою 1,5 сонячної маси, стиснуту у сферу діаметром лише 20 кілометрів.

Щільність нейтронної зірки надзвичайно висока: столова ложка зоряної речовини важить мільйони тонн!

Наймолодші нейтронні зорі належать до підкласу пульсарів, які обертаються з надзвичайно високою швидкістю (навіть швидше, ніж кухонний блендер). Ці пульсари випускають випромінювання у вигляді вузьких променів, які періодично досягають Землі.

Згодом ці об'єкти остигають і втрачають швидкість обертання, тому їх важко виявити (спостерігалися тільки найенергійніші пульсари).

Взаємодія ПЧД атомного розміру з нейтронною зіркою

Новільо вказує, що первинні чорні діри можуть перебувати у галактичних регіонах, де концентрація темної матерії дуже висока. Таким чином, вони можуть блукати по Всесвіту (рухаючись з різними швидкостями та у різних напрямках) і в кінцевому підсумку взаємодіяти з іншими астрономічними об'єктами (такими як чорні діри або нейтронні зорі).

У цьому сенсі, ПЧД розміром з атом може зіткнутися зі старою нейтронною зіркою (температура якої значно нижча та яка втратила практично всю свою швидкість обертання). Згідно з останніми дослідженнями, частота таких зіткнень становитиме близько 20 подій на рік. Проте більшість цих взаємодій було б важко спостерігати (через величезні відстані й відповідну орієнтацію від Землі).

Розглядаються два можливих сценарії: перший — коли ПЧД захоплюється нейтронною зіркою, і другий — коли малесенька чорна діра прилітає з великої відстані, облітає навколо нейтронної зірки, а потім знову йде в "безмежність" (тобто, подія розсіювання). Залежно від конкретної орбіти (захоплення або розсіювання) генерується характерний та унікальний сигнал.

У наступній анімації показано докладний опис події розсіювання:

Вищезазначений сигнал називається гамма-сплеском (ГС), імовірно, однією з найенергійніших подій у Всесвіті.

Особливий вид ГС

Ці високоенергетичні швидкоплинні викиди тривають від мілісекунд до кількох годин, а їхні джерела знаходяться на відстані мільярдів світлових років від Землі. Величезна кількість енергії вивільняється у вигляді дуже вузьких пучків.

Коротші ГС виникають унаслідок злиття нейтронних зірок або чорних дір, а довші сплески відбуваються внаслідок загибелі масивних зірок (так звані наднові).

У нашому конкретному випадку ГС має тривалість близько 35 секунд, з дуже специфічною умовою: плавне й тривале випромінювання, за яким слідує різке й швидке зменшення лише за кілька сотих часток секунди.

Виявлення ПЧД атомарного розміру: нездійсненне завдання?

На це запитання нелегко відповісти, враховуючи складність пошуку таких крихітних чорних дір.

Проте, якщо така конкретна ГС буде виміряна сучасними телескопами (і відповідатиме специфічній сигнатурі, про яку повідомляється в цьому дослідженні), можна буде стверджувати, що в ранньому Всесвіті мала місце давня взаємодія ПЧД і нейтронної зірки.

Іншими словами, це дасть експериментальний доказ існування таких маломасивних первинних чорних дір, що є одним з фундаментальних передбачень Стівена Гокінга.

“Це буде непросте завдання (можливо, такі ПЧД ніколи не будуть знайдені), але ми не можемо повністю виключити таку можливість: тільки час покаже”, - зазначає Новільо.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Чорні діри