Взрыв мини-черной дыры мог оставить след на Земле — новая гипотеза

В феврале этого года нейтринный телескоп KM3NeT, скрытый на дне Средиземного моря, зафиксировал нейтрино с колоссальной энергией — более 100 петаэлектронвольт. Для сравнения: это в миллионы раз мощнее, чем способен разогнать самый большой ускоритель частиц на Земле. У ученых сразу появился вопрос: откуда взялась столь мощная частица?

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) предложили дерзкий ответ. По их расчетам столь необычное нейтрино могло быть выброшено во Вселенную в момент взрыва первичной черной дыры — гипотетического крошечного объекта, который мог появиться в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты их исследования опубликованы 18 сентября в журнале Physical Review Letters.

Эти первичные черные дыры — не гигантские объекты, знакомые по учебникам, а скорее миниатюрные аналоги с массой меньше горы. Их существование пока остается гипотезой, однако для них действует предсказание Стивена Хокинга: такие объекты должны постепенно терять энергию за счет излучения Хокинга. По мере уменьшения массы процесс ускоряется, температура дыры растет, и в финале она завершается крайне кратким, но мощным выбросом высокоэнергетических частиц.

Ученые подсчитали: если первичные черные дыры и правда заполняют галактику, формируя основу темной материи, то их последние вспышки должны происходить не так уж редко. По прикидкам — порядка тысячи взрывов на кубический парсек в год. Если бы мы пытались представить это в земных масштабах, это примерно как 1000 маленьких фейерверков, взрывающихся каждый год в огромном зале размером с десятки тысяч километров — огромный объем, но каждый отдельный «взрыв» настолько мал и редок по отношению к объему, что мы почти никогда его заметим.

Это значит, что статистически мы должны время от времени попадать на такие события. Вероятность того, что в пределах нашей части Млечного Пути мини-дыра успела схлопнуться так, что нейтрино долетело до Земли, составляет около 8%. Небольшой шанс, но для космоса — вполне реалистичный.

Что особенно занятно, так это то, что данные KM3NeT отлично наложились на старые наблюдения другой установки — IceCube в Антарктиде. Там тоже ловили нейтрино повышенных энергий, но не таких экстремальных. Эти результаты долго оставались в «напряжении»: объяснить все сразу было невозможно. Гипотеза MIT соединяет два кусочка пазла в цельную картину — как будто мы поймали несколько последних «вздохов» умирающих мини-черных дыр.

По словам ученых, цифры действительно впечатляют. По расчетам, в финальную наносекунду своей жизни такая дыра должна выбросить примерно секстиллион (10²⁰) нейтрино. Энергия частицы при этом легко дотягивает до сотни петаэлектронвольт — как раз на уровне того самого рекордного сигнала KM3NeT. А расстояние, на котором могла произойти вспышка, — примерно в 2000 раз больше, чем дистанция от Земли до Солнца. В космических масштабах это почти «по соседству».

Чтобы подтвердить версию, нужны новые наблюдения. Детекторы должны зафиксировать еще больше нейтрино столь же огромных энергий. И тогда физики смогут не только проверить идею, но и, возможно, впервые напрямую увидеть излучение Хокинга — феномен, о котором спорят уже полвека.

Если так и случится, последствия будут колоссальными.

• Во-первых, это стало бы первым подтверждением ключевого предсказания квантовой физики черных дыр.
• Во-вторых, гипотеза о том, что темная материя может состоять из первичных черных дыр, получила бы прочный фундамент. А значит, мы сделали бы шаг к разгадке того, из чего состоит 85% материи во Вселенной.

Как подытоживает Александра Клипфель, одна из авторов исследования:

«Если мы когда-нибудь увидим излучение Хокинга, то скорее всего через самые маленькие черные дыры. Это наш лучший шанс».