Докази існування первинних чорних дір можуть ховатися навіть на Землі, припускають фізики

Теоретичне дослідження припускає, що маленькі чорні діри, народжені в ранньому Всесвіті, могли залишити по собі порожнисті планетоїди й мікроскопічні тунелі, і що нам слід почати шукати їх у камінні та старих будівлях.

Про це розповідається у пресрелізі Університету Баффало, передають OstanniPodii.com.

Утворення чорної діри можна уявити як западання всередину себе (колапс) масивної зорі, у якої закінчується паливо. Проте хаотичні умови раннього Всесвіту могли також дозволити утворитися багатьом маленьким чорним дірам задовго до появи перших зірок.

Ці первинні чорні діри теоретично існували протягом десятиліть і навіть могли бути вічно невловною темною матерією -- невидимою матерією, на яку припадає 85% загальної маси Всесвіту.

Проте жодна первинна чорна діра досі не спостерігалася.

Для підтвердження їхнього існування у новому дослідженні фізики пропонують шукати ознаки, які можуть варіюватися від дуже великих -- порожнистих планетоїдів у космосі -- до найдрібніших -- мікроскопічних тунелів у повсякденних матеріалах, знайдених на Землі, таких як каміння, метал та скло.

Теоретичне дослідження, яке має бути опубліковане в грудневому номері журналу Physics of the Dark Universe та вже доступне онлайн, стверджує, що первинна чорна діра, яка опинилася в пастці у великому кам′янистому об′єкті в космосі, поглинула б його рідке ядро та лишила б його порожнистим. Або ж швидша первинна чорна діра може залишити після себе прямі тунелі, достатньо великі, щоб їх можна було побачити в мікроскоп, якщо вона пройде крізь твердий матеріал, в тому числі й тут, на Землі.

"Шанси знайти ці ознаки невеликі, але їх пошук не потребуватиме багато ресурсів, а потенційна віддача -- перший доказ існування первинної чорної діри -- буде величезною", - говорить співавтор дослідження Деян Стойкович, доктор філософії, професор фізики в Коледжі мистецтв і наук Університету Боснії й Герцеговини. "Ми повинні мислити нестандартно, тому що те, що було зроблено для пошуку первинних чорних дір раніше, не спрацювало".

У дослідженні було підраховано, наскільки великим може бути порожнистий планетоїд, який не колапсує, і ймовірність того, що первинна чорна діра пройде крізь об′єкт на Землі.

"Через такі великі шанси ми зосередилися на твердих мітках, які існують тисячі, мільйони й навіть мільярди років", - каже співавтор дослідження Де-Чанг Дай, доктор філософії з Національного університету Донг Хва та Університету Кейс Вестерн Резерв.

Роботу Стойковича підтримав Національний науковий фонд США, а роботу Дая -- Національна рада з науки й технологій Тайваню.

Якого розміру можуть бути порожнисті об′єкти?

Коли Всесвіт швидко розширювався після Великого вибуху, окремі ділянки простору могли бути щільнішими, ніж їхнє оточення, що призвело до їхнього колапсу й утворення первинних чорних дір (ПЧД).

ПЧД мали б набагато меншу масу, ніж зоряні чорні діри, які пізніше утворилися від зірок, що вмерли, але вони все одно були б надзвичайно щільними, як маса гори, спресована в області розміром з атом.

Стойкович, який раніше запропонував, де шукати теоретичні червоточини, задається питанням, чи не потрапляла ПЧД в пастку планети, супутника або астероїда під час або після свого утворення.

"Якщо об′єкт має рідке центральне ядро, то захоплена ПЧД може поглинути рідке ядро, щільність якого вища за щільність зовнішнього твердого шару", - каже Стойкович.

Якщо об′єкт зазнав зіткнення з астероїдом, ПЧД може покинути об′єкт, не залишивши від нього нічого, крім порожнистої оболонки.

Але чи буде така оболонка достатньо міцною, щоб підтримувати себе, чи вона просто колапсує під дією власного напруження? Порівнюючи міцність природних матеріалів, таких як граніт і залізо, з поверхневим натягом і поверхневою щільністю, дослідники підрахували, що такий порожнистий об′єкт може бути не більше однієї десятої радіуса Землі, що робить його більш схожим на малу планету, ніж на справжню планету.

"Якщо він буде більшим за цей розмір, він колапсує", - каже Стойкович.

Ці порожнисті об′єкти можуть бути виявлені за допомогою телескопів. Масу, а отже, і густину, можна визначити, вивчаючи орбіту об′єкта.

"Якщо густина об′єкта занадто низька для його розміру, це вірна ознака того, що він порожній", - каже Стойкович.

Повсякденні об′єкти можуть бути детекторами чорних дір

Згідно з дослідженням, для об′єктів без рідкого ядра ПЧД можуть просто проходити крізь них і залишати після себе прямий тунель. Наприклад, ПЧД з масою 10^22 грами -- це одиниця з 22 нулями -- залишила б після себе тунель товщиною 0,1 мікрона.

Велика плита металу або іншого матеріалу могла б слугувати ефективним детектором чорних дір, відстежуючи раптову появу цих тунелів, але Стойкович каже, що у вас буде більше шансів знайти існування тунелів у дуже старих матеріалах -- від будівель, яким сотні років, до гірських порід, яким мільярди років.

Проте, навіть якщо припустити, що темна матерія справді складається з ПЧД, вони підрахували, що ймовірність того, що ПЧД пройде крізь мільярдний валун, становить 0,000001.

"Треба дивитися на витрати та вигоди. Чи багато це коштує? Ні, не дуже", - каже Стойкович.

Отже, ймовірність того, що ПЧД пройде через вас протягом вашого життя, м′яко кажучи, невелика. Навіть якби це сталося, ви, ймовірно, не помітили б цього.

На відміну від каменю, людська тканина має невелику напруженість, тому ПЧД не розірве її на частини. І хоча кінетична енергія ПЧД може бути величезною, під час зіткнення вона не може вивільнити багато енергії, оскільки рухається дуже швидко.

"Якщо снаряд рухається крізь середовище швидше за швидкість звуку, молекулярна структура середовища не встигає відреагувати", - каже Стойкович. "Якщо кинути камінь у вікно, він, швидше за все, розлетиться на друзки. Якщо вистрілити у вікно з пістолета, то, швидше за все, залишиться лише дірка".

Потрібні нові теоретичні рамки

Теоретичні дослідження, подібні до цього, мають вирішальне значення, каже Стойкович, зазначаючи, що багато фізичних концепцій, які колись здавалися неправдоподібними, тепер вважаються ймовірними.

Наразі ця галузь, додає Стойкович, стикається з деякими серйозними проблемами, серед яких -- темна матерія. Останнім великим революціям у цій галузі -- квантовій механіці та загальній теорії відносності -- вже сто років.

"Найрозумніші люди на планеті працюють над цими проблемами вже 80 років і досі не вирішили їх", - каже він. "Нам не потрібне просте розширення наявних моделей. Ймовірно, нам потрібна абсолютно нова структура".

• Чорні діри