Физики давно считали, что чёрные дыры взрываются в конце своей жизни, и что такие взрывы происходят — в лучшем случае — только раз в 100 000 лет. Но новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters физиками из Массачусетского университета в Амхерсте, показало, что вероятность увидеть один из таких взрывов в течение десятилетия составляет более 90%.
Если мы будем готовы, наши нынешние космические и наземные телескопы могут стать свидетелями этого события.
Такой взрыв стал бы веским доказательством существования теоретически предсказанного, но никогда не наблюдавшегося типа чёрной дыры, называемой «примитивной чёрной дырой». Она могла сформироваться менее чем через секунду после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад.
Более того, взрыв предоставил бы нам окончательный каталог всех существующих субатомных частиц, включая те, которые мы наблюдали (например, электроны, кварки и бозоны Хиггса), те, о которых мы только предполагали (например, частицы тёмной материи), а также всё остальное, что пока остаётся совершенно неизвестным науке. Этот каталог наконец-то ответил бы на один из старейших вопросов человечества: откуда всё взялось?
Чёрные дыры и их жизненный цикл
Мы знаем, что чёрные дыры существуют, и у нас есть хорошее представление об их жизненном цикле: старая, большая звезда исчерпывает топливо, коллапсирует в мощнейшую сверхновую, и оставляет после себя область пространства-времени с такой интенсивной гравитацией, что ничто, даже свет, не может выбраться оттуда. Эти чёрные дыры невероятно массивны и по сути стабильны.
Однако, как отметил физик Стивен Хокинг в 1970 году, другой тип чёрной дыры — примитивная чёрная дыра (ПЧД) — могла быть создана не коллапсом звезды, а из первичных условий Вселенной вскоре после Большого взрыва. ПЧД, как и стандартные чёрные дыры, настолько массивны и плотны, что почти ничто не может ускользнуть от них — отсюда и их «чёрность».
Тем не менее, несмотря на их плотность, ПЧД могут быть намного легче, чем чёрные дыры, которые мы до сих пор наблюдали. Хокинг также показал, что чёрные дыры имеют температуру и могут теоретически медленно излучать частицы посредством того, что сейчас известно как «излучение Хокинга», если они нагреются достаточно сильно.
«Чем легче чёрная дыра, тем горячее она должна быть и тем больше частиц она будет излучать. По мере того как ПЧД испаряются, они становятся всё легче и горячее, испуская всё больше излучения в неудержимом процессе вплоть до взрыва. Именно это излучение Хокинга наши телескопы могут обнаружить», — говорит Андреа Тамм, соавтор и доцент кафедры физики в Массачусетском университете в Амхерсте.
Пока никто не наблюдал ПЧД напрямую, хотя мы и знаем, как это сделать. «Мы знаем, как наблюдать это излучение Хокинга, — говорит Хоаким Игуац Хуан, постдокторский исследователь в области физики в Массачусетском университете в Амхерсте. — Мы можем увидеть его с помощью наших нынешних телескопов, и поскольку единственные чёрные дыры, которые могут взорваться сегодня или в ближайшем будущем, — это ПЧД, мы знаем, что если мы увидим излучение Хокинга, мы увидим взрывающуюся ПЧД».
Новая гипотеза
Команда исследователей предполагает, что вероятность увидеть взрывающуюся ПЧД в течение следующих 10 лет составляет до 90%. В своей работе команда исследует «игрушечную модель тёмной КЭД». Это по сути копия обычной электрической силы, которую мы знаем, но которая включает в себя очень тяжёлую, гипотетическую версию электрона, которую команда называет «тёмным электроном».
Команда пересмотрела давние предположения об электрическом заряде чёрных дыр. Стандартные чёрные дыры не имеют заряда, и предполагалось, что ПЧД также электрически нейтральны. «Мы делаем другое предположение, — говорит Майкл Бейкер, соавтор и доцент кафедры физики в Массачусетском университете в Амхерсте. — Мы показываем, что если примитивная чёрная дыра образуется с небольшим тёмным электрическим зарядом, то модель предсказывает, что она должна быть временно стабилизирована, прежде чем окончательно взорваться».
Принимая во внимание все известные экспериментальные данные, они обнаруживают, что мы потенциально могли бы наблюдать взрыв ПЧД не раз в 100 000 лет, как считалось ранее, а раз в 10 лет.
«Мы не утверждаем, что это абсолютно произойдёт в этом десятилетии, — говорит Бейкер, — но есть 90% вероятность, что это произойдёт. Поскольку у нас уже есть технология для наблюдения за этими взрывами, мы должны быть готовы».
Игуац Хуан добавляет: «Это будет первое прямое наблюдение как излучения Хокинга, так и ПЧД. Мы также получим окончательный список всех частиц, составляющих всё во Вселенной. Это полностью революционизирует физику и поможет нам переписать историю Вселенной».
Предоставлено Массачусетским университетом в Амхерсте.