|
Первичные черные дыры могут быть темной материей
|
|
|
|
Помимо таких частиц, как стерильные нейтрино, аксионы и слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), основным кандидатом на роль холодной темной материи Вселенной являются первичные черные дыры — черные дыры, образовавшиеся из чрезвычайно плотных скоплений субатомных частиц в первые секунды после Большого взрыва.
|
|
|
|
Первичные черные дыры (PBH) классически стабильны, но, как показал Стивен Хокинг в 1975 году, они могут испаряться благодаря квантовым эффектам, излучая почти как абсолютно черное тело. Таким образом, у них есть время жизни, пропорциональное кубу их первоначальной массы. Поскольку с момента Большого взрыва прошло 13,8 миллиарда лет, до наших дней должны были дожить только частицы с начальной массой в триллион килограммов или более.
|
|
|
|
Однако было высказано предположение, что время жизни черной дыры может быть значительно больше, чем предсказывал Хокинг, из-за эффекта нагрузки на память, когда объем информации, переносимой черной дырой, стабилизирует ее от испарения.
|
|
|
|
Таким образом, PBH, которые, как считалось ранее, к настоящему времени уже испарились, все еще могут присутствовать в виде холодной темной материи весом более 10 миллионов килограммов.
|
|
|
|
Исследовательская группа из Японии предложила обнаружить гипотетическую темную материю PBH путем изучения гравитационных волн, вызванных первичными возмущениями кривизны, которые привели к появлению PBH. Их работа опубликована в Physical Review D.
|
|
|
|
|
|
|
"Это первое в мире исследование, в котором предполагается, что доказательства того, что PBH являются темной материей, будут подтверждены будущими наблюдениями за гравитационными волнами", - сказал Казунори Кохри из Национальной астрономической обсерватории Японии в Токио, связанной с несколькими другими исследовательскими организациями по физике в стране.
|
|
|
|
Несмотря на большое количество (на данный момент) экспериментальных исследований, физикам еще предстоит обнаружить признаки темной материи в ускорителях элементарных частиц, в подземных и подледных детекторах и при исследовании космоса, прямо или косвенно.
|
|
|
|
"Если такая ситуация сохранится, то кошмарный сценарий с темной материей, а именно сценарий только с гравитационно взаимодействующей темной материей, станет важным", - пишут Кохри и его соавторы. Ответом может быть макроскопическая темная материя, например, по сценарию PBH, если PBH сохранились до наших дней.
|
|
|
|
Вывод Хокинга о том, что черные дыры излучают, означает, что в конечном итоге они полностью испарятся и прекратят свое существование. Но расчеты Хокинга предполагали существование квазиклассической черной дыры в течение всего ее жизненного цикла, игнорируя квантовую обратную реакцию образовавшихся частиц на испаряющуюся черную дыру.
|
|
|
|
Полная обработка выявляет эффект "нагрузки на память", обнаруженный грузинским физиком-теоретиком Гией Двали в 2018 году. Рассматривая черную дыру как конденсат гравитонов, предполагаемых носителей гравитационной силы, микроквантовые состояния ответственны за энтропию черной дыры.
|
|
|
|
"Память" относится к информации, хранящейся в черной дыре; эта сохраненная информация стабилизирует черную дыру, делая ее более устойчивой к распаду. Состояние черной дыры стабилизируется за счет ее собственной памяти. Эффект становится важным, когда черная дыра теряет примерно половину своей первоначальной массы.
|
|
|
|
"Если мы поверим в эффект потери памяти, который является актуальной темой в области квантовой гравитации, - сказал Кохри, - мы сможем построить теорию с чрезвычайно малой неопределенностью".
|
|
|
|
Пока не совсем ясно, что происходит с черной дырой, когда объем памяти становится значительным — возможно, испарение Хокинга прекращается, или, возможно, черная дыра распадается на какие-то сгустки и гравитационные волны.
|
|
|
|
Кохри и его соавторы сосредоточились на первой возможности. Двали и его коллеги утверждали, что скорость излучения Хокинга подавляется некоторой целой величиной энтропии черной дыры.
|
|
|
|
Черные дыры обладают огромной энтропией; черная дыра Шварцшильда с массой Солнца имеет энтропию, равную 1077 в единицах постоянной Больцмана. Для сравнения, энтропия Солнца равна 1058.
|
|
|
|
Таким образом, время жизни черной дыры значительно увеличивается. Космологические ограничения накладывают нижние и верхние ограничения на количество PBH: таким образом, Кохри и его коллеги сосредоточились на PBH с начальной массой от 100 кг до 10 миллионов кг.
|
|
|
|
Одним из популярных механизмов образования PBH является гравитационный коллапс ранних космологических пятен с чрезвычайно сильными возмущениями кривизны пространства-времени. В эту эпоху Вселенной, где преобладает излучение, также возникает значительное количество гравитационных волн, типичная частота которых находится в однозначном соответствии с начальной массой PBH.
|
|
|
|
Изучая наблюдаемые свойства этих гравитационных волн в современной Вселенной, в результате обширных расчетов были получены спектры гравитационных волн, которые существовали бы сегодня в зависимости от частоты, а также ожидаемое отношение сигнал/шум в течение одного года наблюдений с помощью предполагаемых будущих гравитационно-волновых обсерваторий.
|
|
|
|
Их расчеты ожидаемых спектров индуцированных гравитационных волн показывают, что темная материя PBH с достаточно большой памятью может наблюдаться сегодня, поскольку она индуцирует относительно низкочастотные гравитационные волны.
|
|
|
|
С учетом этой цели проектируются будущие обсерватории, такие как космическая LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), DECIGO (гравитационно-волновая обсерватория с децигерцовым интерферометром) в Японии, обсерватория Большого взрыва (BBO), предложенная Европейским космическим агентством (ЕКА) для замены LISA, когда она будет запущена. идут своим чередом и другие.
|
|
|
|
Кохри и его коллеги составили графики ожидаемых спектров в зависимости от частоты волн и расширили свои уравнения, чтобы предсказать соотношение сигнал/шум, которое можно было бы увидеть в реальных наблюдениях.
|
|
|
|
Исследователи также представили критерии, с помощью которых астрономы, изучающие гравитационные волны, могли бы подтвердить или исключить сценарий с темной материей PBH, обремененной памятью. Тем не менее, нелинейная динамика темной материи PBH, обремененной памятью, будет определять детальную форму гравитационных волн.
|
|
|
|
Пиковая частота индуцированных волн может достигать 30 мегагерц, что в 3000 раз превышает пиковую частоту в 10 килогерц, которую могут обнаружить два LIGO в США. Однако расчеты показывают, что в спектрах присутствует инфракрасный след, который указывает на более низкие пиковые частоты.
|
|
|
|
Их можно было бы обнаружить с помощью предлагаемой наземной гравитационно-волновой обсерватории третьего поколения Cosmic Explorer, которая будет иметь ту же L-образную конструкцию, что и LIGO, но с плечами интерферометра длиной 40 км вместо 4 км у LIGO.
|
|
|
|
Источник
|
