Запропоновано модель, яка пояснює нестачу мініатюрних чорних дір у ранньому Всесвіті

Дослідники застосували добре зрозумілу й добре перевірену квантову теорію поля, яка зазвичай застосовується для вивчення дуже малих об′єктів, до нової цілі — раннього Всесвіту.

Про це розповідають у Токійському університеті, передають OstanniPodii.com.

Відповідну роботу науковців з Дослідницького центру раннього Всесвіту (RESCEU) та Інституту фізики й математики Всесвіту ім. Кавлі (Kavli IPMU, WPI) при Токійському університеті було опубліковано в журналах Physical Review Letters і Physical Review D.

Їхнє дослідження привело до висновку, що мініатюрних чорних дір має бути набагато менше, ніж припускає більшість моделей, і спостереження, які могли б підтвердити це, незабаром стануть можливими. Конкретний тип чорної діри, про який йде мова, може бути претендентом на темну матерію.

Хоча деталі виникнення Всесвіту нечіткі, загальний консенсус серед фізиків полягає в тому, що йому близько 13,8 мільярда років, він почався з вибуху, швидко розширювався в період, який називається інфляцією, і десь на цьому етапі перейшов від однорідності до наявності деталей і структури.

Більша частина Всесвіту порожня, але, попри це, він здається значно важчим, ніж можна пояснити тим, що ми бачимо -- фізики називають цю невідповідність темною матерією, і ніхто не знає, що це може бути, але з′являються докази того, що це можуть бути чорні діри, зокрема, старі чорні діри.

"Ми називаємо їх первинними чорними дірами (ПЧД), і багато дослідників вважають, що вони є сильним кандидатом на темну матерію, але їх повинно бути багато, щоб задовольнити цю теорію", - каже аспірант Джейсон Крістіано.

"Вони цікаві й з інших причин, оскільки після нещодавніх інновацій в астрономії гравітаційних хвиль були відкриті злиття бінарних чорних дір, які можна пояснити, якщо ПЧД існують у великих кількостях. Але, попри ці вагомі причини їхньої очікуваної численності, ми не бачили жодної безпосередньо, і тепер у нас є модель, яка має пояснити, чому це так".

Крістіано та його науковий керівник, професор Дзюн′ічі Йокояма, нині директор Kavli IPMU та RESCEU, ретельно дослідили різні моделі формування ПЧД, але виявили, що провідні претенденти не узгоджуються з реальними спостереженнями космічного мікрохвильового фону (КМФ), який є чимось на кшталт відбитка пальця, що залишився від Великого вибуху, який ознаменував початок Всесвіту. І якщо щось не узгоджується з надійними спостереженнями, це або не може бути правдою, або в кращому випадку може вималювати лише частину картини.

Команда застосувала новий підхід для коригування провідної моделі утворення ПЧД від космічної інфляції, щоб вона краще узгоджувалася з поточними спостереженнями та могла бути додатково перевірена майбутніми спостереженнями наземних обсерваторій гравітаційних хвиль по всьому світу.

"На початку Всесвіт був неймовірно малим, набагато меншим за розмір одного атома. Космічна інфляція швидко розширила його на 25 порядків. У той час хвилі, що подорожували через цей крихітний простір, могли мати відносно великі амплітуди, але дуже короткі довжини хвиль. Ми виявили, що ці крихітні, але сильні хвилі можуть призвести до незрозумілого посилення набагато довших хвиль, які ми бачимо в сучасному КМФ", - сказав Йокояма.

"Ми вважаємо, що це пов′язано з випадковою когерентністю між цими ранніми короткими хвилями, які можна пояснити за допомогою квантової теорії поля, найнадійнішої теорії, яку ми маємо для опису повсякденних явищ, таких як фотони або електрони. У той час як окремі короткі хвилі були б відносно безсилими, когерентні групи мали б здатність змінювати форму хвиль, набагато більших за них самих. Це рідкісний випадок, коли теорія чогось на одному екстремальному рівні, здається, пояснює щось на протилежному кінці шкали".

Якщо, як припускають Крістіано та Йокояма, ранні дрібномасштабні флуктуації у Всесвіті дійсно впливають на деякі з великомасштабних флуктуацій, які ми спостерігаємо в КМФ, це може змінити стандартне пояснення грубих структур у Всесвіті. Але також, оскільки ми можемо використовувати вимірювання довжин хвиль у КМФ, щоб ефективно обмежити масштаби відповідних довжин хвиль у ранньому всесвіті, це неминуче обмежує будь-які інші явища, які могли б покладатися на ці коротші, сильніші довжини хвиль. І саме тут знову з′являються ПЧД.

"Широко поширена думка, що колапс коротких, але сильних хвиль у ранньому Всесвіті є причиною виникнення первинних чорних дір", - каже Крістіано. "Наше дослідження припускає, що ПЧД повинно бути набагато менше, ніж потрібно, якщо вони дійсно є сильним кандидатом на появу темної матерії або гравітаційних хвиль".

На цей момент світові обсерваторії гравітаційних хвиль, LIGO в США, Virgo в Італії та KAGRA в Японії, перебувають у розпалі спостережної місії, яка має на меті виявити перші малі чорні діри, ймовірно, ПЧД. У будь-якому випадку, результати мають дати команді вагомі докази, які допоможуть їм удосконалити свою теорію.