В новаторском исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, команда физиков из Университета Массачусетса в Эмхерсте озвучила нетривиальную гипотезу. По мнению авторов, вспышки так называемых первичных черных дыр (англ. primordial black holes, буквально «черные дыры первого порядка») могли привести к наблюдаемому в 2023 году излучению нейтрино с рекордной энергией — событию, которое классическая астрофизика объяснить пока не может.
Авторы предполагают, что «легкие» черные дыры звездной, планетарной и даже астероидной массы, возникшие вскоре после Большого взрыва, могут интенсивно «испаряться» за счет излучения Хокинга и в конечной фазе своей эволюции взрываться, испуская потоки частиц, сопоставимые по мощности с гамма-всплесками. Эта гипотеза не только обосновывает ранее «невозможное» высокоэнергетическое нейтринное излучение, но и открывает новые перспективы изучения фундаментальной природы барионной и темной материи.
Концепция «изначальных» черных дыр и их сигналы
Традиционно (пускай пока почти невидимые) черные дыры формируются при коллапсе массивных эволюционировавших звезд — либо через взрыв сверхновой, либо напрямую. Однако первичные черные дыры (ПЧД) могли появиться в ранней Вселенной из плотных флуктуаций кипящего космического «бульона» вскоре после Большого взрыва, минуя стадию звезды. В дальнейшем по мере структуризации Вселенной такой метод формирования стал невозможен.
В отличие от тяжелых астрофизических черных дыр, ПЧД могли иметь значительно меньшую массу. Именно такие легкие объекты быстрее «нагреваются» согласно теории Хокинга и испускают все больше частиц по мере уменьшения массы и разогрева. В конечном итоге это приводит к их коллапсу.
Команда физиков ввела понятие «квази-экстремальных первичных черных дыр» с особым «темным зарядом» (quasi-extremal PBHs with a dark charge) — аналогом электрического, но влияющим на гипотетические тяжелые частицы (например, «темный электрон»). Такая модель позволяет согласовать данные нескольких нейтринных детекторов и объяснить, почему высокоэнергетичные нейтрино были зарегистрирован лишь в одном эксперименте. Срок жизни первичных черных дыр ограничен, новые не появляются — их осталось в космосе немного, и коллапсы ПЧД — явление нечастое. К тому же объект должен находиться относительно недалеко от Земли, чтобы нейтринный поток был достаточно плотным.
Новые горизонты в физике и космологии
Если предложенная модель подтвердится, это будет реальным прорывом. Во-первых, наблюдение «взрывов» таких древних черных дыр станет прямым доказательством эффекта Хокинга, предсказанного еще в 1970-х годах. Во-вторых, это может открыть путь к обнаружению ранее неизвестных элементарных частиц, в том числе тех, которые могли бы составлять темную материю — одну из главных загадок современной физики.
Помимо основной гипотезы, исследования в смежной области показывают, что теоретические модели черных дыр активно развиваются. Альтернативные подходы дают представления без классической понятий сингулярности и горизонта событий, потенциально изменяющие базовые представления о природе этих объектов.
Исследование также укрепляет интерес к масштабным космическим наблюдениям: например, недавно астрономы получили самый четкий сигнал гравитационных волн от слияния черных дыр, что дает дополнительные подтверждения фундаментальных законов гравитации и расширяет возможности моделирования поведения вещества и волн в экстремальных условиях.
Регистрация высокоэнергетических нейтрино в 2023 году открыла новое окно во Вселенную и может привести к экспериментальной верификации ключевых гипотез в физике черных дыр.
О том, что первичные черные дыры могут оказаться средоточием темной материи, мы предупреждали уже не раз.
