|
Гравитационные волны могут решить проблему темной материи
|
|
|
|
Обычно считается, что квантовые эффекты черных дыр слишком малы, чтобы иметь какие-либо заметные признаки. Это действительно так для тяжелых черных дыр, таких как те, которые были обнаружены с помощью гравитационных волн LIGO в 2015 году. Эти черные дыры имеют массу в несколько десятков масс Солнца, и, следовательно, их излучение Хокинга ничтожно мало.
|
|
|
|
Но что такое излучение Хокинга? В квантовой механике квантовые флуктуации могут порождать виртуальные пары частиц из вакуума. Вблизи горизонта событий черной дыры одна частица упадет в черную дыру (и, по-видимому, не сможет вырваться), в то время как другая, находящаяся за пределами дыры, может улететь в бесконечность и стать "реальной". Исходящие кванты называются излучением Хокинга.
|
|
|
|
Из-за сохранения энергии падающие кванты должны нести отрицательную энергию, что означает, что масса (и, следовательно, размер) черной дыры должна уменьшаться при ее испарении. Оказывается, сила этого квантового эффекта зависит от массы черных дыр: черные дыры малой массы производили бы излучение Хокинга более эффективно и были бы более нестабильны.
|
|
|
|
Однако недавно обнаруженный эффект квантовой нагрузки на память может кардинально изменить ситуацию. Эффект потери квантовой памяти утверждает, что испарение черной дыры по истечении времени полураспада, за которое черная дыра теряет половину своей первоначальной массы, прекращается, и, следовательно, черная дыра стабилизируется.
|
|
|
|
|
|
|
Физическая причина этого эффекта заключается в том, что информационная структура внутри черной дыры, записанная в режимах памяти, более энергетически благоприятна, чем режимы с большими промежутками снаружи, так что черная дыра имеет тенденцию становиться стабильной. Этот новый квантовый эффект имеет важные наблюдаемые последствия для первичных черных дыр и природы темной материи, которые мы сейчас обсудим.
|
|
Типы черных дыр
|
|
|
|
На данный момент мы знаем, что в природе существует два типа черных дыр: черные дыры звездной массы и сверхмассивные черные дыры. Черные дыры звездной массы с массой порядка от 10 до 100 масс Солнца могли образоваться в результате коллапса массивных звезд в конце их жизненного цикла. Сверхмассивные черные дыры имеют массу, превышающую 100 000 масс Солнца, и обычно располагаются в центрах галактик; их происхождение остается предметом споров.
|
|
|
|
Существует также гипотетический вид черной дыры, известный как первичная черная дыра (PBH). PBH образовались не в результате коллапса массивных мертвых звезд, а в очень ранней Вселенной, например, в результате коллапса достаточно больших космологических возмущений или коллапса шаров Ферми при сильном фазовом переходе первого рода. Эти черные дыры могут иметь очень широкий диапазон масс - от микроскопических черных дыр массой порядка 1 г до сверхмассивных черных дыр массой порядка 100 000 масс Солнца.
|
|
Темная материя
|
|
|
|
У нас есть убедительные астрофизические данные как о ранней, так и о поздней Вселенной, свидетельствующие о том, что должно существовать нечто, называемое темной материей (ТМ). Сегодня это загадочное вещество доминирует в составе материи Вселенной и имеет решающее значение для формирования структуры, которая сделала возможным существование человека. Тем не менее, мы не видели никаких экспериментальных свидетельств присутствия этой неуловимой материи здесь, на Земле. Это поднимает серьезные вопросы о природе СД.
|
|
|
|
Если бы DM состоял из частиц, то такое же наблюдаемое количество DM означало бы, что таких частиц должно быть много, блуждающих по Вселенной, поэтому вероятность попадания этих частиц в наши детекторы на Земле очень высока. Но поскольку нам не удалось обнаружить DM на Земле, мы можем предположить, что, возможно, DM имеет форму какого-то компактного объекта с очень высокой плотностью энергии.
|
|
|
|
Это означает, что при одинаковом наблюдаемом количестве DM, DM сконцентрирован в этих компактных объектах, и, следовательно, вероятность столкновения этих объектов с Землей очень мала, потому что их не так много.
|
|
|
|
Если сложить все части воедино
|
|
|
|
Вот предложение: что, если DM состоит из PBH? Это очень естественная и убедительная возможность, потому что PBH ведут себя аналогично DM: они оба движутся медленно и взаимодействуют только под действием силы тяжести. Поскольку DM находится в высокой концентрации внутри PBHs, это оправдывает нулевые результаты наземных экспериментов с DM, упомянутых ранее.
|
|
|
|
В последние десятилетия исследователи интенсивно изучали этот сценарий. Оказывается, что при стандартном полуклассическом расчете излучения Хокинга только частицы в диапазоне масс от 1017 г до 1022 г могут составлять всю DM. Частицы, которые легче нижней границы, к настоящему времени испарились бы и, следовательно, не могут быть DM, потому что мы видим DM сегодня.
|
|
|
|
Однако новый эффект квантовой нагрузки на память, о котором говорилось ранее, остановит испарение PBH по истечении времени полураспада. Этот квантовый эффект открывает новое окно массы ниже 1010 г, в котором PBH все еще могут существовать сегодня и составлять совокупность DM.
|
|
|
|
Таким образом, вопрос в том, как подтвердить этот сценарий. Ответ заключается в использовании гравитационных волн (ГВ). ГВ - это колебания пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Формирование PBH в ранней Вселенной потребовало бы резкого перемещения вещества или энергии, что, в свою очередь, вызвало бы соответствующие сигналы GW.
|
|
|
|
В моей статье, опубликованной в Physical Review D, показано, что сигналы GW, связанные с образованием PBH с памятью, могут быть обнаружены в будущих экспериментах. В частности, я рассмотрел PBH, образованные в результате инфляционного возмущения, и PBH, образованные в результате сильного фазового перехода первого рода.
|
|
|
|
Хотя GW, образующиеся в первом случае, достигают максимума на высокой частоте, которая несколько выходит за пределы целей наблюдения детекторов, GW, образующиеся во втором случае, прекрасно обнаруживаются. Как видно на рисунке выше, пик спектра GW приходится на частоту около 0,01–1 Гц с максимальной амплитудой порядка 10-9, что должно быть легко обнаружено в ходе предстоящих экспериментов, таких как LISA, BBO или ET.
|
|
|
|
Если мой предсказанный спектр GW будет обнаружен в будущем, это будет убедительным доказательством того, что эффект квантовой нагрузки на память, связанный с дырками, верен и подтверждает идею о том, что PBH являются DM.
|
|
|
|
Источник
|
