Как мы можем обнаружить первичные черные дыры размером с атом?

Предложен метод обнаружения первичной черной дыры в результате ее взаимодействия с медленно вращающейся нейтронной звездой.

Об этом для издания The Conversation рассказывает Оскар дель Барко Новильо с кафедры прикладной физики Университета Сарагосы, передают OstanniPodii.com.

Одним из наиболее интригующих предсказаний общей теории относительности Эйнштейна является существование черных дыр: астрономических объектов с гравитационными полями настолько сильными, что даже свет не может их покинуть.

Когда у достаточно массивной звезды заканчивается топливо, она взрывается, а оставшееся ядро коллапсирует, что приводит к образованию звездной черной дыры (от 3 до 100 солнечных масс).

Сверхмассивные черные дыры также существуют в центре большинства галактик. Черные дыры этого типа самые большие — содержат от ста тысяч до десяти миллиардов масс Солнца.

На сегодняшний день астрономы получили изображения двух сверхмассивных черных дыр: одной в центре галактики М87 и самой последней — в нашем Млечном Пути (Стрелец А*). Анимация показывает сравнение размеров этих двух гигантов:

Однако считается, что существует еще один вид черных дыр — первичные или примитивные черные дыры (ПЧД). Они имеют отличное от других черных дыр происхождение, образовавшись в ранней Вселенной в результате гравитационного коллапса чрезвычайно плотных областей.

Теоретически, эти первичные черные дыры могут иметь любую массу и иметь размеры от субатомной частицы до нескольких сотен километров. Например, ПЧД с массой, эквивалентной массе горы Эверест, может иметь размер атома.

Эти крошечные черные дыры теряют массу быстрее, чем их массивные собратья, испуская так называемое излучение Хокинга, пока окончательно не испарятся.

До сих пор астрономам не удавалось наблюдать ПЧД. Эта тема является предметом постоянных исследований, поскольку предполагается, что эти сверхкомпактные объекты могут быть частью давно искомой темной материи Вселенной.

Альтернативный сценарий обнаружения первичных черных дыр размером с атом предложен в недавней публикации в "Ежемесячных сообщениях Королевского астрономического общества". В этом исследовании изучается характерный сигнал взаимодействия между одной из этих крошечных черных дыр и одним из самых плотных объектов во Вселенной (нейтронной звездой).

Прежде чем начать рассмотрение этой новой астрофизической модели, прокомментируем основные характеристики этих удивительных звезд.

Один из самых плотных объектов во Вселенной

Как уже говорилось ранее, когда у массивной звезды заканчивается топливо, она взрывается, и ее ядро коллапсирует, в результате чего образуется звездная черная дыра. Следует подчеркнуть, что это происходит не во всех случаях: например, если масса ядра при его коллапсе меньше примерно трех масс Солнца, образуется нейтронная звезда.

Это очень маленькие и чрезвычайно плотные объекты. Например, рассмотрим звезду с массой 1,5 солнечной массы, сжатую в сферу диаметром всего 20 километров.

Плотность нейтронной звезды чрезвычайно высока: столовая ложка звездного вещества весит миллионы тонн!

Самые молодые нейтронные звезды относятся к подклассу пульсаров, которые вращаются с чрезвычайно высокой скоростью (даже быстрее, чем кухонный блендер). Эти пульсары испускают излучение в виде узких лучей, которые периодически достигают Земли.

Со временем эти объекты остывают и теряют скорость вращения, поэтому их трудно обнаружить (наблюдались только самые энергичные пульсары).

Взаимодействие ПЧД атомного размера с нейтронной звездой.

Новильо указывает, что первичные черные дыры могут находиться в галактических регионах, где концентрация темной материи очень высока. Таким образом, они могут блуждать по Вселенной (двигаясь с разными скоростями и в разных направлениях) и в конечном итоге взаимодействовать с другими астрономическими объектами (такими как черные дыры или нейтронные звезды).

В этом смысле, ЧДД размером с атом может столкнуться со старой нейтронной звездой (температура которой значительно ниже и которая потеряла практически всю свою скорость вращения). Согласно последним исследованиям, частота таких столкновений будет составлять около 20 событий в год. Однако большинство этих взаимодействий было бы трудно наблюдать (из-за огромных расстояний и соответствующей ориентации от Земли).

Рассматриваются два возможных сценария: первый — когда ПЧД захватывается нейтронной звездой, и второй — когда маленькая черная дыра прилетает с большого расстояния, облетает вокруг нейтронной звезды, а затем снова уходит в "бесконечность" (то есть, событие рассеивания). В зависимости от конкретной орбиты (захват или рассеивание) генерируется характерный и уникальный сигнал.

В следующей анимации показано подробное описание события рассеивания:

Вышеупомянутый сигнал называется гамма-всплеском (ГВ), предположительно, одним из самых энергетических событий во Вселенной.

Особый вид ГВ

Эти высокоэнергетические скоротечные выбросы длятся от миллисекунд до нескольких часов, а их источники находятся на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Огромное количество энергии высвобождается в виде очень узких пучков.

Более короткие ГВ возникают вследствие слияния нейтронных звезд или черных дыр, а более длинные всплески происходят вследствие гибели массивных звезд (так называемые сверхновые).

В нашем конкретном случае ГВ имеет продолжительность около 35 секунд, с очень специфическим условием: плавное и длительное излучение, за которым следует резкое и быстрое уменьшение лишь за несколько сотых долей секунды.

Обнаружение ПЧД атомарного размера: невыполнимая задача?

На этот вопрос нелегко ответить, учитывая сложность поиска таких крошечных черных дыр.

Тем не менее, если такая конкретная ГВ будет измерена современными телескопами (и будет соответствовать специфической сигнатуре, о которой сообщается в этом исследовании), можно будет утверждать, что в ранней Вселенной имело место давнее взаимодействие ПЧД и нейтронной звезды.

Другими словами, это даст экспериментальное доказательство существования таких маломассивных первичных черных дыр, что является одним из фундаментальных предсказаний Стивена Хокинга.

"Это будет непростая задача (возможно, такие ПЧД никогда не будут найдены), но мы не можем полностью исключить такую возможность: только время покажет", - отмечает Новильо.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.