Ранній Всесвіт настільки виходить за межі нашого розуміння того, як влаштований світ, що його важко описати словами. Тоді космос був заповнений не зорями та галактиками, а киплячим «бульйоном» із кварків та глюонів, з додаванням кількох мікроскопічних чорних дір, які час від часу вибухали, наче глибинні бомби. Таким є ранній Всесвіт, описаний у новій статті дослідників із Вільного університету Брюсселя та Массачусетського технологічного інституту.
Енергія первинних чорних дір
Первинні чорні діри (ПЧД) є предметом багатьох сучасних досліджень. Це гіпотетичні об’єкти, які, як вважається, утворилися в перші секунди після Великого вибуху і значно відрізняються від чорних дір зоряної маси, які ми можемо спостерігати сьогодні. У надзвичайно щільному середовищі після Великого вибуху дещо щільніші ділянки могли колапсувати безпосередньо в чорні діри — розмірами від мікроскопічних до надмасивних гігантів.
У цій конкретній науковій статті автори зосередилися на первинних чорних дірах із малою масою. Хоча ми уявляємо чорні діри як об’єкти, що поглинають світло та все інше, насправді вони випромінюють енергію у навколишній простір. Однак у випромінюванні Гокінга, названому на честь фізика Стівена Гокінга, який його відкрив, є одна особливість. Згідно з теорією, чим менша чорна діра, тим гарячішою вона стає і тим швидше випаровується. Чорні діри з масою менш ніж 500 трильйонів грамів (що є порівняно малим за мірками чорних дір) до наших днів мали б повністю випаруватися. Але вони зникають з гучним вибухом.
Сучасна космологічна теорія про загибель надмасивних чорних дір передбачає просто розсіювання їхньої енергії у бік космічної плазми, що створює стійку «гарячу точку» у кварк-глюонному «супі», з якого складався ранній Всесвіт. Однак, згідно з новою статтею, насправді загибель чорних дір була набагато бурхливішою та драматичнішою. Зокрема, науковці спостерігали за гідродинамікою плазми навколо вмираючої ПЧД і зрозуміли, що енергія, вивільнена цими мікроскопічними чорними дірами, була настільки величезною і сконцентрованою, що створювала екстремальні градієнти тиску.
Значні перепади тиску в рідині або плазмі можуть спричиняти ударні хвилі, і саме це, на думку вчених, сталося в той момент, коли випаровувалися мікроскопічні первинні чорні діри (ПЧД). По суті, така чорна діра наприкінці свого існування породжувала релятивістську вогняну кулю, яка стрімко розширювалася назовні в первісний космічний «суп».
Поширення ударної хвилі від вибуху ПЧД
Згідно з цією статтею, процес випаровування первинної чорної діри можна поділити на чотири окремі фази. На першій із них, коли первинна чорна діра ще має відносно велику масу, вона повільно випаровується, формуючи стабільну плазмову бульбашку, що розширюється. З часом її розміри зменшуються настільки, що вона переходить у другу фазу, під час якої майже миттєво вивільняє залишкову енергію, породжуючи ультрарелятивістський вибух. Саме цей етап можна описати за допомогою моделі, відомої як режим Бландфорда — Маккі.
У міру того як ударна хвиля поширюється назовні, вона захоплює все більше навколишньої плазми й зрештою сповільнюється, переходячи у третю фазу, яка моделюється за допомогою нерелятивістської моделі ударної хвилі, відомої як режим Седова — Тейлора. Зрештою, енергія навіть цієї ударної хвилі поглинається навколишньою плазмою, і вона практично повністю розсіює свою енергію, переходячи у четверту фазу.
Мікроскопічні чорні діри та створення теорії «баріогенезу»
Це все добре, але яке відношення мають мікроскопічні чорні діри, що бурхливо гинуть у ранньому Всесвіті, до сучасної космологічної фізики? Згідно з цією статтею, це може бути саме тією відповіддю на запитання про баріогенез.
«Баріогенез» — це науковий термін, що пояснює, чому взагалі існує фізична матерія. Згідно з нашими найкращими теоріями Великого вибуху, матерія та антиматерія мали б утворитися в рівній кількості — а це означає, що вони також мали б повністю знищити одна одну. Але якимось чином те, що ми сьогодні знаємо як «матерія», виграло цю війну, і саме це ми зараз називаємо баріогенезом, або створенням баріонів (субатомних частинок (протонів і нейтронів), з яких складається звичайна матерія).
На нашу думку, десь у ранньому Всесвіті сталося різке порушення теплової рівноваги, внаслідок чого збереглося більше матерії, ніж антиматерії. Автори даної статті вказують на властивість раннього Всесвіту, яка називається електрослабкою (ЕС) симетрією, як на можливе пояснення. Якщо температура плазми раннього Всесвіту впала нижче 162 Гев, ЕС-симетрія була б порушена.
Автори вважають, що ударні хвилі, породжені вибухами первинних чорних дір, могли тимчасово підвищувати температуру вище цього порога, утворюючи в рухомій плазмовій «бульбашці» області електрослабкої симетрії. Саме такий механізм, що діє в нерівноважних умовах, міг би бути необхідним для виникнення дисбалансу між матерією та антиматерією у Всесвіті. Ідея настільки цікава, що та сама дослідницька група вже досліджує її наслідки в окремій супутній статті.
Коротко кажучи, згідно з цією новою теорією, ранній Всесвіт міг бути сформований насильницькими вибухами крихітних чорних дір, і що буквально все, що ми бачимо у Всесвіті, включаючи нас самих, складається з матерії, створеної цими вибухами. Тож замість того, щоб говорити, що ми створені з зіркової речовини, можливо, ми можемо почати говорити, що ми створені з ударних хвиль чорних дір — хоча це не звучить так само.
За матеріалами phys.org
