Первичные чёрные дыры (PBHs) — это чёрные дыры, которые, согласно теории, образовались вскоре после Большого взрыва. По сравнению с чёрными дырами, возникшими в результате коллапса звёзд, PBHs могут иметь самые разные массы — от очень маленьких до чрезвычайно больших.
С момента их теоретического обоснования в 1970-х годах PBHs стали предметом многочисленных исследований в области астрофизики. Обнаружение этих чёрных дыр и связанных с ними сигнатур может дать решающее представление о происхождении и эволюции Вселенной.
Сотрудничество LHAASO — это большая исследовательская группа, которая анализирует данные, собранные в большой высокогорной обсерватории воздушных ливней в Китае. Недавно они провели поиск по всему небу в поисках сигнатур взрывающихся PBHs.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, установила самые строгие на сегодняшний день ограничения на количество PBHs, образовавшихся в ранней Вселенной.
«PBHs предлагают потенциальные решения различных космологических загадок, например, они могут быть хорошим кандидатом в тёмную материю и обеспечивать семена для сверхмассивных чёрных дыр», — сказал Хоубин Цзян, один из соавторов статьи, в интервью Phys.org.
«В последнее время они привлекли большое внимание, поскольку могли быть ответственны за некоторые сигналы гравитационных волн от двойных чёрных дыр, обнаруженных LIGO и Virgo. В качестве важного инструмента исследования ранней Вселенной данные наблюдений PBHs могут дать значительную информацию о ранней Вселенной».
LHAASO — это обсерватория, расположенная на горе Хайцзы в провинции Сычуань в Китае, которая обнаруживает гамма-лучи, взаимодействующие с атмосферой Земли, создавая каскады частиц, известные как воздушные ливни. Эта обсерватория имеет большое поле зрения и может обнаруживать гамма-лучи с беспрецедентной чувствительностью.
«Эти характеристики, наряду с высоким рабочим циклом LHAASO, делают его уникальным инструментом для проведения поиска по всему небу в поисках потенциальных сигналов от всплесков PBHs», — пояснил Цзян.
«PBHs с начальной массой около [непереведённое обозначение] имели бы время жизни, близкое к возрасту Вселенной, и испарялись бы (это известно как «излучение Хокинга») в нынешнюю эпоху».
В рамках своего недавнего исследования сотрудничество LHAASO провело обзор всего неба, ища гамма-всплески, которые возникли бы на финальной стадии испарения PBHs. Данные, которые они анализировали, были собраны детектором Water Cherenkov в LHAASO с марта 2021 года по июль 2024 года.
«Сигнал, который мы искали, — это всплеск высокоэнергетических гамма-лучей, который внезапно появляется на небе и длится короткое время (менее сотен секунд), с кривыми, соответствующими теоретическим предсказаниям», — сказал Цзян. «Поскольку положение всплеска неизвестно, детектор должен иметь очень большое поле зрения, чтобы его найти».
Хотя исследователи не обнаружили в проанализированных данных гамма-всплесков, которые можно было бы связать с PBHs, они установили более строгие ограничения на плотность всплесков PBHs в непосредственной близости от Земли. Их анализ показывает, что взрывы PBHs происходят не чаще 181 раза в кубическом парсеке (то есть 1 парсек ~ 3,26 световых лет) в год.
«В этой работе LHAASO устанавливает наиболее строгие верхние пределы плотности локальной скорости всплесков PBHs, улучшая предыдущий лучший показатель более чем на порядок», — сказал Цзян. «Этот результат накладывает значительные ограничения на теоретические модели, связанные с ранней Вселенной и тёмной материей, а пространство параметров теоретических моделей серьёзно ограничено наблюдениями».
Новые результаты, представленные коллаборацией LHAASO, предполагают, что PBHs вряд ли составляют значительную часть тёмной материи. Ограничения, установленные в рамках этого исследования, могут помочь в будущих поисках всплесков PBHs, а также в уточнении существующих моделей ранней Вселенной.
«Высокий фон космических лучей является основной проблемой при поиске гамма-излучения от PBHs», — добавил Цзян. «Сейчас мы планируем дополнительно подавить фон космических лучей с помощью методов искусственного интеллекта, чтобы получить более чистый образец. Кроме того, строительство большого массива атмосферных черенковских телескопов (LACT) в рамках LHAASO значительно улучшит дискриминацию гамма-протонов и угловое разрешение».
Ожидается, что в будущем LHAASO представит более конкурентоспособные результаты о событиях всплесков PBHs, продвигая изучение экстремальных астрофизических явлений.