Крихітні чорні діри, що утворилися внаслідок бурхливих космічних зіткнень, можуть надати безпрецедентне розуміння квантової структури простору та часу. Про це йдеться у новому теоретичному дослідженні, що потенційно відкриває шлях до виявлення сигналів від цих “чорнодірних частинок” за допомогою наявних інструментів. Дослідження, що розширює межі нашого знання про Всесвіт, було опубліковано у фаховому журналі «Nuclear Physics B».
«Наша робота показує, що якщо ці об’єкти формуються, їхнє випромінювання вже може бути виявлене за допомогою існуючих гамма-обсерваторій», – розповів Live Science електронною поштою Франческо Санніно, фізик-теоретик з Університету Південної Данії та співавтор дослідження.
Випромінювання Гокінга та найменші чорні діри
Однією з найглибших загадок сучасної фізики залишається поведінка гравітації на квантовому рівні. Нове дослідження пропонує сміливе рішення для вивчення цього феномену: пошук свічення, що випромінюється крихітними чорними дірами, народженими після зіткнення гігантських космічних об’єктів.
Ідея про те, що чорні діри не є абсолютно “чорними” і можуть випромінювати слабке світло, була вперше висунута Стівеном Гокінгом у 1970-х роках. Його розрахунки показали, що квантові ефекти поблизу горизонту подій чорної діри спричинять випромінювання та втрату маси – процес, нині відомий як випромінювання Гокінга. Передбачається, що температура чорної діри обернено пропорційна її масі. Отже, для масивних астрофізичних чорних дір цей ефект є мізерним, з настільки низькими температурами, що випромінювання практично неможливо виявити. Однак для дуже малих чорних дір ситуація кардинально відрізняється.
Довідкова інформація:
- Чорна діра: Область простору-часу, гравітаційне тяжіння якої настільки сильне, що навіть світло не може її покинути. Вважається, що вони утворюються з надзвичайно щільних залишків масивних зірок після їхнього колапсу.
- Випромінювання Гокінга: Теоретичне теплове випромінювання, що, як передбачається, випромінюється чорними дірами через квантові ефекти поблизу горизонту подій. Названий на честь фізика Стівена Гокінга.
- Стівен Гокінг (Stephen Hawking): Видатний британський фізик-теоретик, космолог, письменник, член Лондонського королівського товариства. Відомий своїми працями з космології та квантової гравітації, зокрема дослідженнями чорних дір.
- Горизонт подій: Межа в просторі-часі навколо чорної діри, за якою події не можуть впливати на зовнішнього спостерігача. Це точка неповернення.
- Ядерна фізика B (Nuclear Physics B): Авторитетний науковий журнал, що публікує дослідження з ядерної та елементарної фізики.
- Університет Південної Данії (University of Southern Denmark): Один з найбільших університетів Данії, розташований у місті Оденсе.
«Чорнодірні частинки – це гіпотетичні мікроскопічні чорні діри, які могли б утворитися під час бурхливого злиття двох астрофізичних чорних дір», – пояснив електронною поштою Джакомо Каччапалья, старший науковий співробітник Французького національного центру наукових досліджень (CNRS) та співавтор дослідження. «На відміну від більшої материнської чорної діри, ці частинки набагато менші – за масою порівнянні з астероїдами – і тому набагато гарячіші через обернену залежність між масою чорної діри та температурою Гокінга».
Через свою підвищену температуру ці частинки випаровуються відносно швидко, вивільняючи спалахи високоенергетичних частинок, таких як гамма-промені та нейтрино. Аналіз команди вчених припускає, що це випромінювання може формувати помітний сигнал, який, можливо, вже доступний для виявлення сучасними детекторами.
Довідкова інформація:
- Французький національний центр наукових досліджень (CNRS – Centre National de la Recherche Scientifique): Найбільша державна науково-дослідна організація у Франції та одна з провідних у світі.
- Гамма-промені: Вид електромагнітного випромінювання з найвищою енергією та найкоротшою довжиною хвилі, що утворюється внаслідок ядерних реакцій, розпаду радіоактивних ізотопів або зіткнень космічних променів.
- Нейтрино: Елементарні частинки з надзвичайно малою масою, що взаємодіють з матерією лише через слабку ядерну силу та гравітацію, що робить їх дуже важкими для виявлення.
Новий підхід до квантової гравітації
Хоча такі частинки ще не були безпосередньо виявлені, дослідники стверджують, що їхнє утворення теоретично є цілком імовірним. «Ідея натхненна аналогічними процесами при злитті нейтронних зірок», – пояснив електронною поштою Стефан Гогенеггер, старший науковий співробітник Інституту фізики двох безмежностей Ліона та співавтор дослідження. «Вона підтверджується оцінками з теорій, що виходять за рамки Загальної теорії відносності, включаючи теорію струн та моделі з надлишковими вимірами».
Довідкова інформація:
- Інститут фізики двох безмежностей Ліона (Institut de Physique des Deux Infinis de Lyon): Науково-дослідний інститут у Франції, що спеціалізується на фізиці елементарних частинок, астрофізиці та ядерній фізиці.
- Квантова гравітація: Гіпотетична галузь фізики, що має на меті об’єднати принципи квантової механіки та загальної теорії відносності Ейнштейна для опису гравітації на мікроскопічному рівні.
- Теорія струн: Теоретична рамка у фізиці, яка пропонує, що замість точкових частинок фундаментальними об’єктами є одновимірні “струни”. Ці струни можуть вібрувати на різних частотах, що відповідає різним частинкам. Однією з цілей теорії струн є об’єднання всіх фундаментальних взаємодій, включаючи гравітацію.
- Надлишкові виміри: Гіпотетичні моделі у фізиці, що припускають існування додаткових просторових вимірів, крім трьох відомих нам (довжина, ширина, висота).
У таких екстремальних умовах, під час процесу злиття, невеликі нестабільності можуть “відщипнути” крихітні чорні діри. Ці об’єкти, своєю чергою, можуть випаровуватися через випромінювання Гокінга протягом періоду від мілісекунд до років, залежно від їхньої маси.
Надзвичайно важливо, що виявлення такого випромінювання могло б відкрити вікно у нову фізику. «Випромінювання Гокінга кодує інформацію про глибинну квантову структуру простору-часу», – зазначив Санніно. «Його спектральні властивості могли б виявити відхилення від Стандартної моделі на екстремальних енергетичних масштабах, потенційно призводячи до відкриттів невідомих частинок або таких явищ, як надлишкові виміри, передбачені різними теоріями».
Довідкова інформація:
- Стандартна модель фізики елементарних частинок: Теорія, що описує три з чотирьох фундаментальних взаємодій (сильну, слабку та електромагнітну) та всі відомі елементарні частинки, з яких складається матерія. Гравітація не включена до цієї моделі.
Такі енергетичні масштаби знаходяться далеко за межами досяжності навіть найпотужніших прискорювачів частинок, таких як Великий адронний колайдер у CERN. Можливість того, що чорнодірні частинки можуть стати природним “прискорювачем” для вивчення цієї фізики, робить їх настільки захоплюючими.
На думку команди, сигнатурою чорнодірної частинки був би відкладений спалах високоенергетичних гамма-променів, що випромінюються в усіх напрямках, на відміну від типових гамма-спалахів, які зазвичай мають спрямований характер.
Серед інструментів, здатних виявити такі високоенергетичні сигнали, – атмосферні черенковські телескопи, такі як Високоенергетична стереоскопічна система (HESS) у Намібії; Обсерваторія водного Черенкова на великій висоті (HAWC) у Мексиці; Обсерваторія повітряних злив на великій висоті (LHAASO) у Китаї, а також супутникові детектори, як-от космічний гамма-телескоп Фермі. «Деякі з цих інструментів вже мають необхідну чутливість», – зауважив Гогенеггер.
Довідкова інформація:
- Великий адронний колайдер (Large Hadron Collider, CERN): Найбільший у світі прискорювач частинок, розташований поблизу Женеви на кордоні Франції та Швейцарії. Використовується для досліджень у фізиці елементарних частинок, зокрема для пошуку нових частинок та перевірки Стандартної моделі.
- Високоенергетична стереоскопічна система (HESS – High Energy Stereoscopic System): Система телескопів, розташована в Намібії, призначена для виявлення космічних гамма-променів дуже високих енергій.
- Обсерваторія водного Черенкова на великій висоті (HAWC – High-Altitude Water Cherenkov Observatory): Гамма-обсерваторія, розташована в Мексиці, що використовує ефект Черенкова для виявлення високоенергетичних гамма-променів та космічних променів.
- Обсерваторія повітряних злив на великій висоті (LHAASO – Large High Altitude Air Shower Observatory): Комплекс детекторів у Китаї, призначений для дослідження космічних променів та гамма-променів надвисоких енергій.
- Космічний гамма-телескоп Фермі (Fermi Gamma-ray Space Telescope): Космічний телескоп NASA, призначений для вивчення гамма-променів, що є найвисокоенергетичною формою світла.
Дослідники не зупинилися на теорії. Вони використали наявні дані з HESS та HAWC, щоб встановити верхні межі того, скільки маси могло бути вивільнено у формі частинок під час відомих злиттів чорних дір. Ці обмеження є першими спостережуваними рамками для подібних явищ.
«Ми показали, що якщо чорнодірні частинки утворюються під час злиттів, вони будуть випускати спалах високоенергетичних гамма-променів, причому час спалаху буде пов’язаний з їхньою масою», – сказав Каччапалья. «Наш аналіз демонструє, що ця нова багатоканальна сигнатура може забезпечити експериментальний доступ до квантових гравітаційних явищ».
Що далі
Хоча дослідження надає вагомі аргументи на користь існування частинок, багато невизначеностей залишається. Точні умови їхнього формування досі недостатньо вивчені, і повноцінні симуляції необхідних масштабів ще не проводилися. Проте дослідники налаштовані оптимістично.
«Майбутня робота включатиме вдосконалення теоретичних моделей формування частинок та розширення аналізу для включення більш реалістичних розподілів маси та спіну», – зазначив Санніно. Команда також сподівається співпрацювати з астрономами-спостерігачами для проведення спеціалізованих пошуків як в архівних, так і в майбутніх наборах даних.
«Ми сподіваємося, що ця лінія досліджень відкриє нове вікно у розуміння квантової природи гравітації та структури простору-часу», – сказав Гогенеггер.
Якщо чорнодірні частинки справді існують, вони можуть не лише освітлювати небо екзотичним випромінюванням, але й пролити світло на деякі з найглибших невирішених питань у фізиці.
