Монстр-нейтрино может быть вестником древних черных дыр.

Первородные черные дыры могут переписать наше понимание темной материи и ранней Вселенной. Рекордное обнаружение на дне Средиземного моря заставило некоторых физиков задуматься, не обнаружили ли мы только что одну из них. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Почти три года назад частица из космоса врезалась в Средиземное море и активировала частично завершенный детектор Кубического километрового нейтринного телескопа (KM3NET) у побережья Сицилии. Этой частицей был нейтрино — фундаментальный компонент материи, известный своей способностью незаметно проникать сквозь другие вещества.

Обсерватория IceCube в Антарктиде, аналогичный детектор, работающий уже более десяти лет, обнаружила сотни космических нейтрино, но ни одно из них не похоже на это. Эта частица, примерно в 35 раз более энергичная, чем любое ранее наблюдавшееся нейтрино, могла вылететь из высокоактивной галактики — блазара — или из фонового источника космогенных высокоэнергетических частиц, которые, как подозревают ученые, пронизывают космос.

Но это не единственные возможности. На следующий день после того, как коллаборация KM3NET объявила об обнаружении, физик Дэвид Кайзер вошел в комнату, полную своих коллег в Массачусетском технологическом институте, со смелым предположением: а что если этот гигантский нейтрино произошел от взрывающейся первичной черной дыры?

Подобные черные дыры «могли образоваться еще до появления атомов, не говоря уже о звездах», — сказал Кайзер, который принимал активное участие в поисках этих гипотетических объектов.

Идея о том, что нейтрино произошло из первичной чёрной дыры, — это маловероятно; Кайзер сказал, что он «полушутил», когда её выдвинул. Но в отсутствие окончательного объяснения она остаётся интригующей, не в последнюю очередь потому, что существование первичных чёрных дыр может означать, что они играют роль в тёмной материи.

Итак, вопрос: мы только что заметили одного?

За долю секунды

Идея первичных черных дыр впервые была предложена в 1966 году советскими физиками Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым, а окончательно закреплена британским астрофизиком Стивеном Хокингом в 1971 году. Затем Хокинг и его ученик Бернард Карр из Университета королевы Марии в Лондоне (Великобритания) детально разработали концепцию первичных черных дыр в 1974 году.

Первичная черная дыра, или ПЧД, условно определяется как черная дыра, образовавшаяся в первую долю секунды существования Вселенной. Гипотеза гласит, что во время быстрого расширения пространства могли возникать всплески плотности пространства-времени, настолько высокие, что они коллапсировали в черные дыры. Массы этих черных дыр варьировались в зависимости от размера всплесков. Некоторые из них могли быть размером с атомное ядро.

У этой идеи есть свои проблемы. Включение первичных черных дыр в раннюю Вселенную требует от физиков очень точной корректировки параметров своих моделей, чтобы они соответствовали наблюдениям, — сказала Венцер Цинь, физик-теоретик из Нью-Йоркского университета. «Нужно точно настроить этот параметр, — сказала она. — Необходимо, чтобы пики плотности были в 10 000 раз больше, чем можно было бы предсказать в стандартной космологической теории».

В том же году, когда Хокинг и Карр объяснили концепцию первичных черных дыр, Хокинг также выдвинул свою идею излучения Хокинга — процесса, при котором черные дыры могут терять массу и энергию, испуская фотоны и другие фундаментальные частицы в результате взаимодействия квантовой физики и гравитации на краю черной дыры.

Излучая излучение Хокинга, первичная черная дыра, первоначально размером с атомное ядро, в современной Вселенной встретит свою гибель, медленно уменьшаясь, прежде чем завершиться внезапным, экстремальным выбросом частиц. «За большую часть своей жизни черная дыра излучает очень мало массы», — говорит Александра Клипфель, аспирантка, работающая с Кайзером над первичными черными дырами в Массачусетском технологическом институте. «Но затем, прямо в конце, она испускает большую часть своей массы в очень быстром взрыве. Она очень быстро нагревается, это неуправляемый процесс, который заканчивается большим взрывом сверхвысокоэнергетических частиц».

Этот процесс происходит «потому что температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе», — сказал Клипфель. «Чем меньше масса, тем выше температура».

Поскольку энергия, выделяемая в излучении Хокинга, не отдает предпочтение какому-либо одному типу частиц, финальный взрыв будет включать все 17 фундаментальных частиц Стандартной модели, нашей эталонной модели, объясняющей космос. В тот момент, когда черная дыра погаснет, триллионы и триллионы частиц взорвутся в космосе, «включая нейтрино, кварки и всевозможные экзотические частицы», — сказал Кайзер.

Самые крошечные первородные черные дыры существовали бы всего несколько мгновений, но более массивные могут существовать и по сей день. «Черная дыра массой около 10¹⁴ [100 триллионов] граммов живет столько же, сколько и Вселенная», — сказал Клипфель.

Ученые исключили (или ограничили) возможные массы первичных черных дыр (ПЧД), которые могут скрываться во Вселенной сегодня. Слишком малые ПЧД уже испарились бы. Слишком большие — их гравитационное воздействие было бы обнаружено, искажая свет, идущий к Земле от далеких звезд и галактик. Наилучший диапазон масс большинства ПЧД, по-видимому, составляет от 100 квадриллионов (10¹⁷) граммов — массы среднего астероида — до 100 секстиллионов (10²³) граммов, массы спутника. Меньшая субпопуляция ПЧД массой 100 триллионов (10¹⁴) граммов или меньше, массы небольшого астероида, находилась бы на заключительной стадии испарения.

Если первичные черные дыры действительно существуют в диапазоне масс астероидов, они могут не только рассказать нам об условиях на заре космоса, но и ответить на еще один открытый вопрос в астрофизике. Если они все еще существуют в современной Вселенной, они могут составлять часть или всю недостающую массу, которую мы можем предположить, исходя из вращения галактик и структуры космоса, что ученые чаще связывают с необнаруженными частицами темной материи.

«Это одна из немногих убедительных теорий о том, чем может быть темная материя, — сказал Цинь. — Поэтому важно продолжать их поиски».

Монстр-момент

К удивлению команды Кайзера, идея о том, что нейтрино, попавшее в детектор KM3NET, возникло в результате взрыва первичной черной дыры, оказалась математически обоснованной, и 18 сентября 2025 года Кайзер и Клипфель опубликовали статью в журнале Physical Review Letters, объясняющую этот механизм. Они обнаружили, что если бы первичная черная дыра с начальной массой небольшого астероида взорвалась на расстоянии около 2000 астрономических единиц — в 2000 раз большем, чем расстояние между Землей и Солнцем, — она могла бы породить это мощное нейтрино.

«Мы обнаружили, что вероятность этого события составляет около 8%», — сказал Клипфель. «Это событие с низкой вероятностью, но оно не является совершенно невозможным».

Первичная черная дыра, масса которой находится в нижней части диапазона 100 триллионов граммов, испускала бы излучение Хокинга на протяжении 13,8 миллиардов лет существования Вселенной, вплоть до своего взрывного завершения.

Если бы первичная черная дыра находилась гораздо ближе, мы, вероятно, увидели бы ее вспышку в гамма-лучах или другом излучении, которое бы сигнализировало о ее окончательном взрыве. Если же она была слишком далеко, нейтрино были бы слишком рассеяны, чтобы одно из них достигло Земли.

Модели, в которых первичные черные дыры составляют большую часть или всю темную материю, также предсказывают, что достаточное количество более мелких первичных черных дыр будет иметь нужную массу, чтобы одна из них пролетела мимо нашей Солнечной системы прямо в момент взрыва, вызвав выброс энергичных частиц, включая нейтрино, которое попало в нашу планету в нужном месте, чтобы активировать детектор KM3NET.

Карр, который вместе с Хокингом закрепил концепцию первичных черных дыр, считает эту идею заманчивой и надеется, что впечатляющее нейтрино, обнаруженное KM3NET, является признаком того, что мы все-таки можем обнаружить первичные черные дыры. «Я работаю над изучением первичных черных дыр уже 50 лет, и никаких заявленных доказательств их существования не было, только ограничения, что очень печально», — сказал Карр. «Это может быть свидетельством взрывов черных дыр».

Космическое обнаружение

Не все в этом убеждены. «Я не знаю, откуда взялся этот нейтрино KM3NET, но я готов поспорить на огромную сумму денег, что он никак не связан с первичными черными дырами», — сказал Дэн Хупер, космолог из Университета Висконсина в Мэдисоне. Он утверждает, что если бы такие взрывающиеся черные дыры существовали, их было бы легко увидеть, «а мы их не видим», — сказал он. «Я думаю, что эту гипотезу можно полностью исключить».

Однако Хупер не полностью против самой идеи существования первичных черных дыр и пытался понять, как они могли образоваться в период космической инфляции. «Существует множество способов их образования в ранней Вселенной», — сказал он.

Другие, например Эван Макдоноу, физик-теоретик из Университета Виннипега, более уверены в существовании первичных черных дыр в наши дни. «Мое личное предположение состоит в том, что, вероятно, существует по крайней мере одна первичная черная дыра», — сказал он. «Вопрос в том, существуют ли они в сколько-нибудь значительном количестве».

Приямвада Натараджан, теоретик-астрофизик из Йельского университета, говорит, что, хотя она считает, что первичные черные дыры не могут объяснить более чем крошечную долю темной материи, она заинтересована в них как в инструменте для изучения идей о темной материи за пределами двух наиболее популярных кандидатов: слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) и более волнообразных аксионов. «Первичные черные дыры действительно заставляют нас переосмыслить проблему темной материи и отойти от нашей фиксации на WIMP и аксионах», — сказала она. «В этом смысле они действительно важны с научной точки зрения. Они позволили нам выйти за рамки стереотипов мышления и стать более открытыми».

Если первичные черные дыры существуют, есть несколько способов их обнаружения. Например, мы могли бы заметить сигнал в гравитационных волнах от слияния первичных черных дыр, масса которых меньше массы звезды, но все же достаточно велика, чтобы наши приборы могли регистрировать гравитационные волны. Черные дыры такой массы должны были образоваться первичным путем.

Между тем, Андреа Тамм из Массачусетского университета в Амхерсте и ее коллеги в сентябре предположили, что взрывающиеся черные дыры могут быть более распространены, чем считали теоретики, и их можно будет обнаружить в ближайшем будущем, если мы применим некоторые экзотические физические законы.

В своей модели они предполагают, что частицы, известные как темные фотоны и темные электроны — варианты темной материи обычной материи — могли снизить скорость излучения Хокинга первичными черными дырами меньшей массы во Вселенной. Это может означать, что сегодня гораздо больше первичных черных дыр находятся на заключительной стадии испарения. Если это так, Тамм и его коллеги предполагают, что при определенных ограничениях существует более чем 90% вероятность обнаружения испарения первичной черной дыры в течение следующих 10 лет.

«В течение довольно короткого промежутка времени [после финального взрыва], примерно 1000 секунд, будут испускаться фотоны очень высокой энергии», — сказал Тамм, добавив, что существующие эксперименты, такие как Высотная водочеренковская обсерватория в Мексике, могут искать подобные события. «А затем это очень внезапно прекратится после взрыва первичной черной дыры».

Ещё одна оригинальная идея, предложенная Кайзером, заключается в том, что если первичные черные дыры действительно попадают в диапазон масс астероидов и составляют большую часть или всю темную материю, то они должны периодически пролетать через нашу Солнечную систему со скоростью в сотни километров в секунду. В этом сценарии они могли бы оказывать заметное гравитационное воздействие.

Кайзер сказал, что, используя космические аппараты, вращающиеся вокруг Марса, мы могли бы точно рассчитать расстояние от Земли до красной планеты и искать любые колебания, которые могли бы указывать на пролетающий мимо чёрный дыра. По его словам, в любой момент времени в Солнечной системе будет находиться по крайней мере одна чёрная дыра, которая, возможно, будет производить обнаруживаемое излучение Хокинга. Каждые три-десять лет одна из них будет приближаться к Марсу достаточно близко, чтобы вызвать крошечное, но измеримое изменение в движении планеты.

«Марс начнет отклоняться от своей хорошо отслеживаемой орбиты на несколько десятков сантиметров», — сказал Кайзер. Он планирует работать над этой идеей с группой астрономов в течение следующих нескольких лет.

Помимо этого, Кайзер хочет следить за другими высокоэнергетическими нейтрино, чтобы проверить идею о том, что некоторые из них могут возникать в результате взрыва черных дыр. Доказать это сложно, поскольку нейтрино из первичных черных дыр будут выглядеть так же, как и любые другие нейтрино, образующиеся из другого источника, если только их нельзя будет связать со вспышкой гамма-лучей в небе от взрыва первичной черной дыры.

До того момента, когда мы сможем сказать, существуют ли первичные черные дыры, не говоря уже о том, составляют ли они темную материю, еще далеко. Но пока ученые не могут исключить возможность того, что одна из них проскользнула мимо Земли почти три года назад, отправив одиночный сигнальный объект в подводный нейтринный детектор.

«Цифры поразительно совпадают, учитывая, что я вошел туда полушутя», — сказал Кайзер.

Примечание редактора: Приямвада Натараджан является членом консультативного совета журнала Quanta Magazine.

Источник: www.quantamagazine.org