Экзотические черные дыры могут быть побочным продуктом темной материи
На каждый килограмм материи, которую мы можем видеть приходится 5 килограммов невидимой. «Темная материя» — загадочная сущность, которая ускользает от всех форм прямого наблюдения, но дает почувствовать свое присутствие через массу и гравитацию. Пятьдесят лет назад физик Стивен Хокинг предложил идею о том, темная материя может быть порождена популяцией черных дыр, образовавшихся очень скоро после Большого взрыва. Такие «первичные» черные дыры были скорее микроскопическими областями сверхплотной материи, которые схлопнулись и рассеялись по космосу, притягивая друг друга. окружающее пространство-время в первую квинтиллионную долю секунды после Большого взрыва.
Физики из Массачусетского технологического института обнаружили, что этот процесс также мог породить неожиданных спутников: еще меньшие черные дыры с беспрецедентным количеством цветного заряда — особого состояния субатомных частиц. Эти самые маленькие, «сверхзаряженные» черные дыры представляли собой совершенно новое состояние материи, которая, вероятно, испарилась через долю секунды после своего появления.
Тем не менее, они могли повлиять на время, когда были созданы первые атомные ядра. Физики предполагают, что заряженные черные дыры могли повлиять на баланс сливающихся ядер. Если астрономы когда-нибудь смогут обнаружить такое, это убедительно указало бы на то, что первичные черные дыры являются основой всей темной материи сегодня. Научная статья с расчетами опубликована в Physical Review Letters.
«Несмотря на то, что этих недолговечных экзотических существ сегодня нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые сегодня могли бы проявиться в тонких сигналах. Идея о том, что вся темная материя может быть объяснена черными дырами, дает нам новые возможности для поиска», — говорит один из авторов профессор Дэвид Кайзер.
Черные дыры, которые мы знаем и обнаруживаем сегодня, являются продуктом звездного коллапса, когда центр массивной звезды обрушивается сам в себя, образуя область настолько плотную, что она может искривлять пространство-время так, что все — даже свет — оказывается в ловушке. Такие черные дыры могут иметь от нескольких до многих миллиардов солнечных масс.
«Первичные» черные дыры, напротив, могут быть (их существование еще не подтверждено, они есть только в расчетах) намного меньше и должны образоваться задолго до появления звезд. Возможно, еще до того, как Вселенная создала основные химические элементы, не говоря уже о звездах, могли схлопнуться карманы сверхплотной материи, образовав микроскопические черные дыры, настолько плотные, как если бы крупный астероид был сжат в один атом. Гравитационное притяжение этих крошечных невидимых объектов, разбросанных по всей Вселенной, могло бы объяснить всю темную материю, которую мы не можем видеть сегодня.
Если бы это было так, то из чего были бы созданы эти первичные черные дыры? Это вопрос, авторы рассмотрели в своем новом исследовании. Они подсчитали, что первичные черные дыры должны были образоваться в течение первой квинтиллионной доли секунды после Большого взрыва. Тогда могли бы появиться черные дыры, массивные, как астероид, и маленькие, как атом, а также какое-то количество еще более мелких — с массой носорога и размером, намного меньшим, чем один протон. Из чего? Здесь на помощь могут прийти исследования, изучающие состав ранней Вселенной, и, в частности, теория квантовой хромодинамики (КХД) о том, как взаимодействуют кварки и глюоны.
Кварки и глюоны — фундаментальные строительные блоки протонов и нейтронов (элементарных частиц, которые объединились, чтобы создать основные элементы таблицы Менделеева). Основываясь на КХД, физики подсчитали, что сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой чрезвычайно горячую плазму кварков и глюонов, которые затем быстро охлаждались и объединялись, образуя протоны и нейтроны.
В течение первой квинтиллионной доли секунды Вселенная все еще представляла собой смесь свободных кварков и глюонов, которым предстояло объединиться. Любые черные дыры, образовавшиеся в это время, поглотили бы несвязанные частицы, обладающие экзотическим свойством, «цветным зарядом» — состоянием, которое есть только у несвязанных кварков и глюонов.
«Как только мы выяснили, что эти черные дыры образуются в кварк-глюонной плазме, самое важное, что нам нужно было выяснить, это то, сколько цветового заряда содержится в сгустке материи, который в конечном итоге окажется в первичной черной дыре?» — говорит один из авторов исследования Эльба Алонсо-Монсальве.
Используя теорию КХД, они определили распределение цветового заряда, которое должно было существовать в горячей ранней плазме. Затем сравнили с размером области, которая схлопнется и превратится в черную дыру за первую квинтиллионную долю секунды. В большинстве черных дыр должно быть большого цветового заряда. Но самые маленькие были бы заполнены им. Гипотезы о таких «странных» черных дырах выдвигались на протяжении десятилетий, но до сих пор никто не предложил реалистичного процесса их образования.
Сверхзаряженные черные дыры должны были быстро испариться, но, возможно, только после того, как начали формироваться первые атомные ядра. По оценкам, этот процесс начался примерно через секунду после Большого взрыва, что дало бы странным черным дырам достаточно времени, чтобы нарушить равновесие, которое преобладало, когда начали формироваться первые ядра. Это нарушение потенциально могло повлиять на формирование этих самых ранних ядер таким образом, что когда-нибудь эти следы можно будет наблюдать.
