Доказательства существования первичных черных дыр могут скрываться даже на Земле, предполагают физики

Теоретическое исследование предполагает, что маленькие черные дыры, рожденные в ранней Вселенной, могли оставить после себя полые планетоиды и микроскопические туннели, и что нам следует начать искать их в камнях и старых зданиях.

Об этом рассказывается в пресс-релизе Университета Баффало, передают OstanniPodii.com.

Образование черной дыры можно представить как западание внутрь себя (коллапс) массивной звезды, у которой заканчивается топливо. Однако хаотические условия ранней Вселенной могли также позволить образоваться многим маленьким черным дырам задолго до появления первых звезд.

Эти первичные черные дыры теоретически существовали в течение десятилетий и даже могли быть вечно неуловимой темной материей -- невидимой материей, на которую приходится 85% общей массы Вселенной.

Однако ни одна первичная черная дыра до сих пор не наблюдалась.

Для подтверждения их существования в новом исследовании физики предлагают искать признаки, которые могут варьироваться от очень больших -- полых планетоидов в космосе -- до мельчайших -- микроскопических тоннелей в повседневных материалах, найденных на Земле, таких как камни, металл и стекло.

Теоретическое исследование, которое должно быть опубликовано в декабрьском номере журнала Physics of the Dark Universe и уже доступно онлайн, утверждает, что первичная черная дыра, которая оказалась в ловушке в большом каменистом объекте в космосе, поглотила бы его жидкое ядро и оставила бы его полым. Или же более быстрая первичная черная дыра может оставить после себя прямые туннели, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, если она пройдет сквозь твердый материал, в том числе и здесь, на Земле.

"Шансы найти эти признаки невелики, но их поиск не потребует много ресурсов, а потенциальная отдача -- первое доказательство существования первичной черной дыры -- будет огромной", - говорит соавтор исследования Деян Стойкович, доктор философии, профессор физики в Колледже искусств и наук Университета Боснии и Герцеговины. "Мы должны мыслить нестандартно, потому что то, что было сделано для поиска первичных черных дыр ранее, не сработало".

В исследовании было подсчитано, насколько большим может быть полый планетоид, который не коллапсирует, и вероятность того, что первичная черная дыра пройдет сквозь объект на Земле.

"Из-за таких больших шансов мы сосредоточились на твердых метках, которые существуют тысячи, миллионы и даже миллиарды лет", - говорит соавтор исследования Де-Чанг Дай, доктор философии из Национального университета Донг Хва и Университета Кейс Вестерн Резерв.

Работу Стойковича поддержал Национальный научный фонд США, а работу Дая -- Национальный совет по науке и технологиям Тайваня.

Какого размера могут быть полые объекты?

Когда Вселенная быстро расширялась после Большого взрыва, отдельные участки пространства могли быть плотнее, чем их окружение, что привело к их коллапсу и образованию первичных черных дыр (ПЧД).

ПЧД имели бы гораздо меньшую массу, чем звездные черные дыры, которые позже образовались от умерших звезд, но они все равно были бы чрезвычайно плотными, как масса горы, спрессованная в области размером с атом.

Стойкович, который ранее предложил, где искать теоретические червоточины, задается вопросом, не попадала ли ПЧД в ловушку планеты, спутника или астероида во время или после своего образования.

"Если объект имеет жидкое центральное ядро, то захваченная ПЧД может поглотить жидкое ядро, плотность которого выше плотности внешнего твердого слоя", - говорит Стойкович.

Если объект подвергся столкновению с астероидом, ПЧД может покинуть объект, не оставив от него ничего, кроме полой оболочки.

Но будет ли такая оболочка достаточно прочной, чтобы поддерживать себя, или она просто коллапсирует под действием собственного напряжения? Сравнивая прочность природных материалов, таких как гранит и железо, с поверхностным натяжением и поверхностной плотностью, исследователи подсчитали, что такой полый объект может быть не более одной десятой радиуса Земли, что делает его более похожим на малую планету, чем на настоящую планету.

"Если он будет больше этого размера, он коллапсирует", - говорит Стойкович.

Эти полые объекты могут быть обнаружены с помощью телескопов. Массу, а следовательно, и плотность, можно определить, изучая орбиту объекта.

"Если плотность объекта слишком низкая для его размера, это верный признак того, что он пустой", - говорит Стойкович.

Повседневные объекты могут быть детекторами черных дыр

Согласно исследованию, для объектов без жидкого ядра ПЧД могут просто проходить сквозь них и оставлять после себя прямой туннель. Например, ПЧД с массой 10^22 грамма -- это единица с 22 нулями -- оставила бы после себя туннель толщиной 0,1 микрона.

Большая плита металла или другого материала могла бы служить эффективным детектором черных дыр, отслеживая внезапное появление этих туннелей, но Стойкович говорит, что у вас будет больше шансов найти существование туннелей в очень старых материалах -- от зданий, которым сотни лет, до горных пород, которым миллиарды лет.

Однако, даже если предположить, что темная материя действительно состоит из ПЧД, они подсчитали, что вероятность того, что ПЧД пройдет сквозь миллиардный валун, составляет 0,000001.

"Надо смотреть на затраты и выгоды. Много ли это стоит? Нет, не очень", - говорит Стойкович.

Итак, вероятность того, что ПЧД пройдет через вас в течение вашей жизни, мягко говоря, невелика. Даже если бы это произошло, вы, вероятно, не заметили бы этого.

В отличие от камня, человеческая ткань имеет небольшую напряженность, поэтому ПЧД не разорвет ее на части. И хотя кинетическая энергия ПЧД может быть огромной, во время столкновения она не может высвободить много энергии, поскольку движется очень быстро.

"Если снаряд движется сквозь среду быстрее скорости звука, молекулярная структура среды не успевает отреагировать", - говорит Стойкович. "Если бросить камень в окно, он, скорее всего, разлетится в щепки. Если выстрелить в окно из пистолета, то, скорее всего, останется лишь дырка".

Нужны новые теоретические рамки

Теоретические исследования, подобные этому, имеют решающее значение, говорит Стойкович, отмечая, что многие физические концепции, которые когда-то казались неправдоподобными, теперь считаются вероятными.

Сейчас эта отрасль, добавляет Стойкович, сталкивается с некоторыми серьезными проблемами, среди которых -- темная материя. Последним крупным революциям в этой области -- квантовой механике и общей теории относительности -- уже сто лет.

"Самые умные люди на планете работают над этими проблемами уже 80 лет и до сих пор не решили их", - говорит он. "Нам не нужно простое расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура".

• Черные дыры