Одним из самых интригующих предсказаний общей теории относительности Эйнштейна является существование черных дыр: астрономических объектов с такими сильными гравитационными полями, что даже свет не может их покинуть. Когда у достаточно массивной звезды заканчивается топливо, она взрывается, а оставшееся ядро коллапсирует, что приводит к образованию звездной черной дыры (от 3 до 100 солнечных масс). Сверхмассивные черные дыры также существуют в центре большинства галактик. Это самые большие черные дыры, содержащие от ста тысяч до десяти миллиардов раз больше массы, чем наше Солнце. На данный момент астрономы получили изображения двух сверхмассивных черных дыр: одной в центре галактики M87 и самой последней в нашем Млечном Пути (Стрелец A*).
Но считается, что существует другой вид черных дыр — первичные или примитивные черные дыры (ПЧД). Они имеют другое происхождение, чем другие черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной в результате гравитационного коллапса чрезвычайно плотных областей. Теоретически эти первичные черные дыры могут иметь любую массу, а их размеры могут варьироваться от субатомной частицы до нескольких сотен километров. Например, ПЧД с массой, эквивалентной горе Эверест, может иметь размер атома. Эти крошечные черные дыры теряют массу быстрее, чем их массивные аналоги, испуская так называемое излучение Хокинга, пока, наконец, не испарятся. До сих пор астрономам не удавалось наблюдать ПЧД. Это предмет продолжающихся исследований, поскольку предполагается, что эти сверхкомпактные объекты могут быть частью давно разыскиваемой темной материи Вселенной.
Альтернативный сценарий обнаружения первичных черных дыр размером с атом предложен в недавней публикации. В этом исследовании изучается характерный сигнал взаимодействия между одной из этих крошечных черных дыр и одним из самых плотных объектов во Вселенной (нейтронной звездой). Прежде чем приступить к этой новой астрофизической модели, давайте теперь прокомментируем основные характеристики этих удивительных звезд. Как упоминалось ранее, когда у массивной звезды заканчивается топливо, она взрывается, и ее ядро коллапсирует, в результате чего образуется звездная черная дыра. Следует подчеркнуть, что это имеет место не во всех сценариях: например, если коллапсирующее ядро имеет массу менее трех масс Солнца, образуется нейтронная звезда. Это очень маленькие и чрезвычайно плотные объекты. Например, рассмотрим звезду массой 1,5 Солнца, сжатую в сферу диаметром всего 20 километров (размер острова Манхэттен).
Плотность нейтронной звезды чрезвычайно высока: столовая ложка звездного вещества будет весить миллионы тонн! Самые молодые нейтронные звезды принадлежат к подклассу пульсаров, которые вращаются с чрезвычайно высокой скоростью (даже быстрее, чем кухонный блендер). Эти пульсары излучают излучение в виде узких лучей, которые периодически достигают Земли. Со временем эти объекты остывают и теряют скорость вращения, их трудно обнаружить (наблюдались только самые энергичные пульсары). Первичные черные дыры могут быть расположены в галактических регионах, где концентрация темной материи чрезвычайно высока. Таким образом, они могли блуждать по Вселенной (двигаясь с разными скоростями и направлениями) и в конечном итоге взаимодействовать с другими астрономическими объектами (такими как черные дыры или нейтронные звезды).
В этом смысле ПЧД размером с атом может столкнуться со старой нейтронной звездой (температура которой заметно низка и она практически полностью потеряла скорость вращения). Согласно этому недавнему исследованию, частота таких встреч будет составлять порядка 20 событий в год. Тем не менее, большинство этих взаимодействий было бы трудно наблюдать (из-за огромных расстояний и соответствующей ориентации с Земли). Рассматриваются два возможных сценария: во-первых, когда ПЧД захватывается нейтронной звездой, и во-вторых, когда крохотная черная дыра заходит с больших расстояний, обходит НЗ, а затем снова уходит в «бесконечность» (т. событие). В зависимости от конкретной орбиты (захват или рассеяние) генерируется характерный и уникальный сигнал. Вышеупомянутый сигнал называется гамма-всплеском (GRB), вероятно, одним из самых энергичных событий во Вселенной.
Эти высокоэнергетические переходные выбросы длятся от миллисекунд до нескольких часов, а их источники находятся в миллиардах световых лет от Земли. Большое количество энергии высвобождается в виде очень узких лучей. Более короткие гамма-всплески вызываются слиянием нейтронных звезд или черных дыр, а более длинные вспышки возникают при гибели массивных звезд (так называемых сверхновых). В нашем конкретном случае гамма-всплеск имеет продолжительность около 35 секунд с очень специфическим условием: плавное и продолжительное излучение, за которым следует резкое и быстрое уменьшение всего за несколько сотых секунды.
Обнаружение ПЧД атомарного размера: невыполнимая задача? На этот вопрос нелегко ответить, учитывая сложность поиска таких крошечных черных дыр. Тем не менее, если такой конкретный гамма-всплеск измерен современными телескопами (и соответствует конкретной сигнатуре, описанной в этом исследовании), можно утверждать, что взаимодействие древней ЧЧД и нейтронной звезды произошло в ранней Вселенной. Другими словами, это предоставило бы экспериментальные доказательства существования таких маломассивных первичных черных дыр, что является одним из фундаментальных предсказаний Стивена Хокинга. Это будет непростая задача (возможно, такие гамма-всплески никогда не будут найдены), но мы не можем полностью исключить такую возможность: покажет время.
