Предложена модель, которая объясняет недостаток миниатюрных черных дыр в ранней Вселенной

Исследователи применили хорошо понятную и хорошо проверенную квантовую теорию поля, которая обычно применяется для изучения очень малых объектов, к новой цели — ранней Вселенной.

Об этом рассказывают в Токийском университете, передают OstanniPodii.com.

Соответствующую работу ученых из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI) при Токийском университете было опубликовано в журналах Physical Review Letters и Physical Review D.

Их исследование привело к выводу, что миниатюрных черных дыр должно быть гораздо меньше, чем предполагает большинство моделей, и наблюдения, которые могли бы подтвердить это, вскоре станут возможными. Конкретный тип черной дыры, о котором идет речь, может быть претендентом на темную материю.

Хотя детали возникновения Вселенной нечеткие, общий консенсус среди физиков заключается в том, что ей около 13,8 миллиарда лет, она началась со взрыва, быстро расширялась в период, называемый инфляцией, и где-то на этом этапе перешла от однородности к наличию деталей и структуры.

Большая часть Вселенной пуста, но, несмотря на это, она кажется значительно тяжелее, чем можно объяснить тем, что мы видим -- физики называют это несоответствие темной материей, и никто не знает, что это может быть, но появляются доказательства того, что это могут быть черные дыры, в частности, старые черные дыры.

"Мы называем их первичными черными дырами (ПЧД), и многие исследователи считают, что они являются сильным кандидатом на темную материю, но их должно быть много, чтобы удовлетворить эту теорию", - говорит аспирант Джейсон Кристиано.

"Они интересны и по другим причинам, поскольку после недавних инноваций в астрономии гравитационных волн были открыты слияния бинарных черных дыр, которые можно объяснить, если ПЧД существуют в больших количествах. Но, несмотря на эти веские причины их ожидаемой численности, мы не видели ни одной непосредственно, и теперь у нас есть модель, которая должна объяснить, почему это так".

Кристиано и его научный руководитель, профессор Дзюнъичи Йокояма, ныне директор Kavli IPMU и RESCEU, тщательно исследовали различные модели формирования ПЧД, но обнаружили, что ведущие претенденты не согласуются с реальными наблюдениями космического микроволнового фона (КМФ), который является чем-то вроде отпечатка пальца, оставшегося от Большого взрыва, который ознаменовал начало Вселенной. И если что-то не согласуется с надежными наблюдениями, это либо не может быть правдой, либо в лучшем случае может вырисовать лишь часть картины.

Команда применила новый подход для корректировки ведущей модели образования ПЧД от космической инфляции, чтобы она лучше согласовывалась с текущими наблюдениями и могла быть дополнительно проверена будущими наблюдениями наземных обсерваторий гравитационных волн по всему миру.

"В начале Вселенная была невероятно маленькой, намного меньше размера одного атома. Космическая инфляция быстро расширила ее на 25 порядков. В то время волны, путешествовавшие через это крошечное пространство, могли иметь относительно большие амплитуды, но очень короткие длины волн. Мы обнаружили, что эти крошечные, но сильные волны могут привести к необъяснимому усилению гораздо более длинных волн, которые мы видим в современном КМФ", - сказал Йокояма.

"Мы считаем, что это связано со случайной когерентностью между этими ранними короткими волнами, которые можно объяснить с помощью квантовой теории поля, самой надежной теории, которую мы имеем для описания повседневных явлений, таких как фотоны или электроны. В то время как отдельные короткие волны были бы относительно бессильными, когерентные группы имели бы способность изменять форму волн, гораздо больших, чем они сами. Это редкий случай, когда теория чего-то на одном экстремальном уровне, кажется, объясняет что-то на противоположном конце шкалы".

Если, как предполагают Кристиано и Йокояма, ранние мелкомасштабные флуктуации во Вселенной действительно влияют на некоторые из крупномасштабных флуктуаций, которые мы наблюдаем в КМФ, это может изменить стандартное объяснение грубых структур во Вселенной. Но также, поскольку мы можем использовать измерения длин волн в КМФ, чтобы эффективно ограничить масштабы соответствующих длин волн в ранней вселенной, это неизбежно ограничивает любые другие явления, которые могли бы полагаться на эти более короткие, более сильные длины волн. И именно здесь снова появляются ПЧД.

"Широко распространено мнение, что коллапс коротких, но сильных волн в ранней Вселенной является причиной возникновения первичных черных дыр", - говорит Кристиано. "Наше исследование предполагает, что ПЧД должно быть намного меньше, чем нужно, если они действительно являются сильным кандидатом на появление темной материи или гравитационных волн".

На данный момент мировые обсерватории гравитационных волн, LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, находятся в разгаре наблюдательной миссии, которая имеет целью обнаружить первые малые черные дыры, вероятно, ПЧД. В любом случае, результаты должны дать команде весомые доказательства, которые помогут им усовершенствовать свою теорию.