Физики из Массачусетского технологического института (MIT) выдвинули новое предположение: недавнее обнаружение нейтрино с рекордно высокой энергией может быть первым доказательством неуловимого излучения Хокинга.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, физики из MIT убедительно доказывают, что недавно наблюдаемое нейтрино с высокой энергией могло стать результатом взрыва первичной чёрной дыры за пределами нашей Солнечной системы.
Нейтрино: призрачные частицы
Нейтрино иногда называют призрачными частицами за их невидимую, но вездесущую природу. Они — самый распространённый тип частиц во Вселенной, но оставляют едва заметный след. Недавно учёные идентифицировали признаки нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо зарегистрированной, но источник такой необычно мощной частицы ещё предстоит подтвердить.
Исследователи из MIT предполагают, что таинственное нейтрино могло появиться в результате неизбежного взрыва первичной чёрной дыры. Первичные чёрные дыры (PBHs) — это гипотетические чёрные дыры, которые являются микроскопическими версиями гораздо более массивных чёрных дыр, лежащих в центре большинства галактик. Предполагается, что PBHs образовались в первые моменты после Большого взрыва. Некоторые учёные считают, что первичные чёрные дыры могут составлять большую часть или всю тёмную материю во Вселенной сегодня.
Излучение Хокинга
Подобно своим более массивным собратьям, PBHs должны терять энергию и уменьшаться в размерах с течением времени в процессе, известном как излучение Хокинга, предсказанное физиком Стивеном Хокингом. Чем больше чёрная дыра излучает, тем горячее она становится и тем больше высокоэнергетических частиц она испускает. Это неудержимый процесс, который должен привести к невероятно мощному взрыву наиболее энергитичных частиц непосредственно перед испарением чёрной дыры.
Физики из MIT подсчитали, что, если PBHs составляют большую часть тёмной материи во Вселенной, то небольшая их часть сегодня должна претерпевать свои окончательные взрывы по всей галактике Млечный Путь. И должна существовать статистически значимая вероятность того, что такой взрыв мог произойти относительно близко к нашей Солнечной системе.
Экспериментальное подтверждение
Если такой сценарий действительно имел место, недавнее обнаружение нейтрино с самой высокой энергией станет первым наблюдением излучения Хокинга, которое давно предполагалось, но никогда не наблюдалось напрямую ни у одной чёрной дыры. Более того, это событие может указывать на то, что первичные чёрные дыры существуют и составляют большую часть тёмной материи — загадочного вещества, которое составляет 85% от общего количества материи во Вселенной, природа которого остаётся неизвестной.
«Оказывается, существует сценарий, в котором всё, кажется, сходится, и мы не только можем показать, что большая часть тёмной материи в этом сценарии состоит из первичных чёрных дыр, но мы также можем производить эти высокоэнергетические нейтрино в результате случайного взрыва PBH поблизости», — говорит ведущий автор исследования Александра Клипфель, аспирантка физического факультета MIT.
Исследование также проводилось совместно с Дэвидом Кайзером, профессором физики и профессором истории науки им. Гермесхаузена в MIT.
Напряжённость в области высоких энергий
В феврале учёные из кубического километрового нейтринного телескопа (KM3NeT) сообщили об обнаружении нейтрино с самой высокой энергией, зарегистрированной на сегодняшний день. KM3NeT — это крупномасштабный подводный нейтринный детектор, расположенный на дне Средиземного моря, где окружающая среда должна подавлять влияние любых частиц, кроме нейтрино.
Учёные, управляющие детектором, зафиксировали признаки проходящего нейтрино с энергией более 100 петаэлектронвольт. Один петаэлектронвольт эквивалентен энергии 1 квадриллиона электронвольт.
«Это невероятно высокая энергия, намного превосходящая всё, что люди способны ускорить до», — говорит Клипфель. «Нет единого мнения о происхождении таких высокоэнергетических частиц».
Может ли первичная чёрная дыра объяснить появление таинственно энергетического нейтрино?
Кайзер и Клипфель, работавшие над отдельным проектом, связанным с первичными чёрными дырами, задались вопросом: могло ли PBH произвести как нейтрино KM3NeT, так и несколько нейтрино IceCube в условиях, когда PBH составляют большую часть тёмной материи в галактике? Если бы они смогли доказать существование такой возможности, это подняло бы ещё более захватывающую перспективу — что оба обсерватория наблюдали не только высокоэнергетические нейтрино, но и остатки излучения Хокинга.
«Наш лучший шанс» — так назвали учёные свой подход.
Первым шагом в теоретическом анализе учёные рассчитали, сколько частиц будет излучаться при взрыве чёрной дыры. Все чёрные дыры должны медленно излучать со временем. Чем больше чёрная дыра, тем она холоднее и тем более низкоэнергетические частицы она излучает, медленно испаряясь. Таким образом, любые частицы, излучаемые в результате излучения Хокинга тяжёлыми чёрными дырами звёздной массы, было бы практически невозможно обнаружить.
«У нас нет надежды обнаружить излучение Хокинга от астрофизических чёрных дыр», — говорит Клипфель. «Так что, если мы когда-нибудь захотим его увидеть, то маленькие первичные чёрные дыры — наш лучший шанс».
Исследователи рассчитали количество и энергию частиц, которые чёрная дыра должна излучать, учитывая её температуру и уменьшающуюся массу. По их оценкам, в свою последнюю наносекунду, когда чёрная дыра станет меньше атома, она должна излучать последний всплеск частиц, включая около 10²⁰ нейтрино, или около секстиллиона частиц, с энергиями около 100 петаэлектронвольт (примерно такая энергия была зафиксирована KM3NeT).
Они использовали этот результат для расчёта количества взрывов PBH, которые должны были произойти в галактике, чтобы объяснить результаты, полученные в IceCube. Они обнаружили, что в нашем регионе Млечного Пути около 1000 первичных чёрных дыр должны взрываться на кубический парсек в год. (Парсек — это единица расстояния, равная примерно 3 световым годам, что составляет более 10 триллионов километров.)
Затем они рассчитали расстояние, на котором один такой взрыв в Млечном Пути мог произойти так, чтобы лишь несколько высокоэнергетических нейтрино достигли Земли и вызвали недавнее событие KM3NeT. Они обнаружили, что PBH должна была взорваться относительно близко к нашей Солнечной системе — на расстоянии примерно в 2000 раз большем, чем расстояние между Землёй и нашим Солнцем.
Частицы, испускаемые таким близким взрывом, будут излучать во всех направлениях. Однако команда обнаружила, что существует небольшая — 8% — вероятность того, что взрыв может произойти достаточно близко к Солнечной системе, раз в 14 лет, так что достаточное количество ультравысокоэнергетических нейтрино достигнет Земли.
«8-процентная вероятность не так уж высока, но она вполне в пределах того диапазона, в котором мы должны серьёзно относиться к таким шансам — тем более, что до сих пор не было найдено другого объяснения, которое могло бы объяснить как необъяснимые нейтрино с очень высокой энергией, так и ещё более удивительное событие с ультравысокоэнергетическими нейтрино», — говорит Кайзер.
Сценарий команды, по-видимому, подтверждается, по крайней мере, теоретически. Для подтверждения их идеи потребуется гораздо больше обнаружений частиц, включая нейтрино со «безумно высокими энергиями». Затем учёные смогут собрать более полную статистику таких редких событий.
«В этом случае мы могли бы использовать весь наш объединённый опыт и инструментарий, чтобы попытаться измерить всё ещё гипотетическое излучение Хокинга», — говорит Кайзер. «Это стало бы первым в своём роде доказательством одного из столпов нашего понимания чёрных дыр — и могло бы объяснить эти аномальные события с высокоэнергетическими нейтрино. Это очень захватывающая перспектива!»
В то же время другие усилия по обнаружению близлежащих PBH могут дополнительно подкрепить гипотезу о том, что эти необычные объекты составляют большую часть или всю тёмную материю.
Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом, Центром теоретической физики MIT — Институтом Лейнвебера и Министерством энергетики США.