Группа физиков из Массачусетского университета опубликовала результаты исследования, объясняющего природу «невозможного» нейтрино. По мнению ученых, его произвела взорвавшаяся черная дыра.
Ключ к фундаментальной природе Вселенной
Ученые довольно неплохо понимают жизненный цикл черных дыр. Звезда-гигант исчерпывает запасы своего термоядерного топлива, взрывается в виде мощнейшей сверхновой и оставляет после себя область пространства-времени с такой интенсивной гравитацией, что ничто, даже свет, не может из нее вырваться. Это т. н. черная дыра звездной массы. Также существуют черные дыры промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах большинства галактик. Такие объекты невероятно тяжелые и, по сути, стабильные.
Но, как указал физик Стивен Хокинг в 1970 году, есть еще один вид черных дыр — первичные черные дыры (PBH). Они образовались не в результате гравитационного коллапса, а из-за первичных условий Вселенной вскоре после Большого взрыва. Как и стандартные черные дыры, они настолько плотные, что почти ничто не может из них вырваться — именно это и делает их «черными».
Однако, несмотря на свою плотность, PBH могут быть намного легче черных дыр, которые мы наблюдали до сих пор. Кроме того, Хокинг показал, что PBH могут медленно испускать частицы через то, что сейчас известно как «излучение Хокинга», если они нагреваются достаточно сильно. По мере испарения они становятся все легче и, следовательно, горячее, излучая еще сильнее в процессе, который ускоряется и завершается их взрывом.
В ходе своего предыдущего исследования ученые из Массачусетского университета показали, что взрывы PBH могут происходить каждые 10 лет, что намного чаще, чем считалось ранее. Земные телескопы могут обнаружить такой взрыв. Если бы астрономы смогли увидеть его, он дал бы нам окончательный каталог всех существующих субатомных частиц, включая частицы темной материи, а также все остальное, что до сих пор совершенно неизвестно науке.
Черные дыры и темная материя
До недавнего времени все это оставалось теорией. Однако теперь у ученых появились первые доказательства взрыва черной дыры.
В 2023 году в ходе эксперимента под названием KM3NeT Collaboration удалось зафиксировать «невозможное» нейтрино. Его энергия в 100 000 раз превышающую энергию самой высокоэнергетической частицы, когда-либо произведенной Большим адронным коллайдером. Нигде во Вселенной не известно ни одного источника, способного произвести такую энергию. По мнению ученых, единственное возможное объяснение — взрыв первичной черной дыры.
Правда оставалась одна загвоздка: аналогичный эксперимент под названием IceCube, также созданный для регистрации высокоэнергетических космических нейтрино, не только не зафиксировал это событие, но и никогда не регистрировал ничего, даже сотой доли его мощности. Если во Вселенной относительно много PBH и они часто взрываются, разве мы не должны быть засыпаны высокоэнергетическими нейтрино? Чем можно объяснить это несоответствие?
«Мы считаем, что PBH с «темным зарядом» — то, что мы называем квазиэкстремальными PBH — являются недостающим звеном», — сказал Жоаким Игуаз Хуан, постдокторский исследователь в области физики в UMass Amherst и один из соавторов статьи. Темный заряд — это, по сути, копия обычной электрической силы, как мы ее знаем, но включающая в себя очень тяжелую гипотетическую версию электрона, которую команда называет «темным электроном».
«Существуют и другие, более простые модели PBH», — говорит Майкл Бейкер, соавтор и доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте. «Наша модель темного заряда более сложна, а это значит, что она может дать более точную модель реальности. Самое интересное — это то, что наша модель может объяснить это иначе необъяснимое явление».
Команда уверена, что их модель PBH с темным зарядом не только может объяснить нейтрино, но и разгадать тайну темной материи. Если гипотеза о темном заряде верна, то она означает существование значительной популяции первичных черных дыр, что будет согласовываться с другими астрофизическими наблюдениями и объяснять всю недостающую темную материю во Вселенной.
«Наблюдение высокоэнергетического нейтрино было невероятным событием, — заключает Бейкер. — Оно открыло нам новое окно во Вселенную. Но теперь мы можем быть на пороге экспериментального подтверждения излучения Хокинга, получения доказательств существования как первичных черных дыр, так и новых частиц за пределами Стандартной модели, а также объяснения тайны темной материи».
По материалам University of Massachusetts Amherst
