Черные дыры образуются либо при коллапсе массивной звезды, либо при слиянии тяжелых объектов. Однако ученые подозревают, что более мелкие «первичные» черные дыры, включая некоторые с массами, подобными массе Земли, могли образоваться в первые хаотичные моменты ранней Вселенной. Когда мы думаем о черных дырах , мы склонны представлять себе огромных космических монстров, таких как черные дыры звездной массы с массой в десятки и сотни раз больше массы Солнца. Мы можем даже представить себе сверхмассивные черные дыры с массой в миллионы (или даже миллиарды) раз больше массы Солнца, находящиеся в сердце галактик и доминирующие над их окружением. Группа ученых предсказала, что космический телескоп НАСА «Нэнси Грейс Роман» может обнаружить класс «легких» черных дыр, которые до сих пор ускользали от обнаружения.
Однако ученые предполагают, что Вселенная может быть также населена гораздо менее массивными, относительно легкими черными дырами с массой около земной. Эти черные дыры, потенциально, могут иметь массу, равную массе крупного астероида. Ученые также предполагают, что такие черные дыры могли существовать с начала времен, около 13,8 миллиардов лет назад. Метко названные «первичными черными дырами», эти черные дыры оставались чисто теоретическими, но Roman, запуск которого запланирован на конец 2026 года, может изменить это.
«Обнаружение популяции первичных черных дыр с массой Земли стало бы невероятным шагом как для астрономии, так и для физики элементарных частиц, поскольку эти объекты не могут быть образованы ни одним известным физическим процессом», — сказал Уильям ДеРокко, научный сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Крузе, который руководил исследованием того, как Роман мог бы их обнаружить. Статья с описанием результатов была опубликована в журнале Physical Review D. «Если мы их найдем, это встряхнет область теоретической физики».
Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут медленно сжиматься по мере выхода радиации. Медленная утечка того, что сейчас известно как излучение Хокинга, со временем приведет к тому, что черная дыра просто испарится. Эта инфографика показывает предполагаемое время жизни и горизонт событий – точку, после которой падающие объекты не могут вырваться из гравитационного захвата черной дыры – диаметры черных дыр различной малой массы. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА
Самые маленькие черные дыры, существование которых когда-либо было подтверждено, — это черные дыры звездной массы, которые создаются, когда у массивных звезд заканчивается топливо, необходимое для ядерного синтеза в их ядрах. Как только такой синтез прекращается, эти звезды разрушаются под действием собственной гравитации. Обычно минимальная масса, необходимая звезде, чтобы оставить после себя черную дыру звездной массы, в восемь раз больше массы Солнца — если она будет легче, то звезда закончит свою жизнь как нейтронная звезда или тлеющий белый карлик.
Однако условия во Вселенной в начале ее существования сильно отличались от условий современной эпохи. Когда космос был в горячем, плотном и турбулентном состоянии, он мог позволить гораздо меньшим скоплениям материи коллапсировать и рождать черные дыры.
Но требуется минимальная масса: по крайней мере в восемь раз больше массы нашего Солнца. Более легкие звезды станут либо белыми карликами, либо нейтронными звездами.
Эта концепция художника представляет собой причудливый подход к представлению небольших первичных черных дыр. В реальности таким крошечным черным дырам было бы трудно сформировать аккреционные диски, которые делают их видимыми здесь. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА
Однако условия в очень ранней Вселенной могли позволить сформироваться гораздо более легким черным дырам. Одна из них, весом с массу Земли, имела бы горизонт событий – точку невозврата для падающих объектов – шириной примерно с 10-центовую монету США.
Ученые полагают, что в то время, когда Вселенная только зарождалась, она пережила короткую, но интенсивную фазу, известную как инфляция, когда пространство расширялось быстрее скорости света. В этих особых условиях области, которые были плотнее своего окружения, могли схлопнуться, образовав маломассивные первичные черные дыры.
Хотя теория предсказывает, что самые маленькие из них должны испариться до того, как Вселенная достигнет своего нынешнего возраста, те, масса которых близка к массе Земли, могли бы выжить.
Открытие этих крошечных объектов окажет огромное влияние на физику и астрономию.
«Это повлияло бы на все: от формирования галактик до содержания темной материи во Вселенной и космической истории», — сказал Кайлаш Саху, астроном из Института науки космического телескопа в Балтиморе, который не принимал участия в исследовании. «Подтверждение их идентичности будет тяжелой работой, и астрономам понадобится много убедительных доказательств, но это того стоит».
На схеме изображена первичная черная дыра, вызывающая гравитационное линзирование, раскрывающее ее существование римскому космическому телескопу. Роберт Ли
Общая теория относительности предсказывает, что все объекты с массой вызывают искривление самой ткани пространства и времени, объединенных в единую четырехмерную сущность, называемую «пространство-время». Когда свет от фонового источника проходит через варп, его путь искривляется. Чем ближе к линзирующему объекту проходит свет, тем больше искривляется его путь. Это означает, что свет от одного и того же объекта может приходить в телескоп в разное время. Это называется гравитационным линзированием.
Когда линзирующий объект невероятно массивен, как галактика, фоновый источник может сместиться в кажущееся положение или даже появиться в нескольких местах на одном изображении. Если линзирующий объект меньше по массе, как первичная черная дыра, эффект линзирования меньше, но он может вызвать усиление яркости фоновых источников, которые можно обнаружить. Это эффект, называемый микролинзированием.
В настоящее время микролинзирование используется с большим эффектом для обнаружения планет-изгоев , или миров, которые дрейфуют по Млечному Пути без родительской звезды. Это выявило большую популяцию изгоев примерно земной массы — больше, чем теоретически предсказывают модели. Ученые предсказывают, что с помощью этой модели Роман увеличит обнаружения изгоев земной массы в десять раз.
Обилие этих объектов привело к предположениям, что некоторые из этих объектов с массой Земли на самом деле могут быть первичными черными дырами. «Невозможно отличить черные дыры с массой Земли от планет-изгоев в каждом конкретном случае», — сказал ДеРокко. «Роман будет чрезвычайно мощным средством различения этих двух объектов статистически».
На иллюстрации изображен космический телескоп Нэнси Грейс Роман, окруженный первичными черными дырами. Роберт Ли/NASA
Микролинзирование — это наблюдательный эффект, который возникает из-за того, что присутствие массы деформирует ткань пространства-времени, подобно отпечатку, который оставляет шар для боулинга, установленный на батуте. Каждый раз, когда с нашей точки зрения кажется, что промежуточный объект дрейфует вблизи фоновой звезды, свет звезды должен пересекать искривленное пространство-время вокруг объекта. Если выравнивание особенно близко, объект может действовать как естественная линза, фокусируя и усиливая свет фоновой звезды.
Отдельные группы астрономов, использующие данные MOA (микролинзовые наблюдения в астрофизике) – совместной работы, которая проводит микролинзовые наблюдения с использованием обсерватории Университета Маунт-Джон в Новой Зеландии – и OGLE (эксперимент по оптико-гравитационному линзированию), обнаружили неожиданно большую популяцию изолированных объектов с массой равной массе Земли.
Теории формирования и эволюции планет предсказывают определенные массы и распространенность планет-изгоев – миров, бродящих по галактике, не привязанных к звезде. Наблюдения MOA и OGLE предполагают, что в галактике дрейфует больше легких объектов, чем предсказывают модели.
«Невозможно отличить черные дыры с массой Земли от планет-изгоев в каждом конкретном случае», — сказал ДеРокко. Но ученые ожидают, что Roman найдет в 10 раз больше объектов в этом диапазоне масс, чем наземные телескопы. «Roman будет чрезвычайно мощным в различении этих двух объектов статистически».
ДеРокко возглавил работу по определению того, сколько планет-изгоев должно находиться в этом диапазоне масс и сколько первичных черных дыр Роман мог различить среди них.
Обнаружение первичных черных дыр дало бы новую информацию о самой ранней Вселенной и убедительно свидетельствовало бы о том, что ранний период инфляции действительно имел место. Это также могло бы объяснить небольшой процент таинственной темной материи, которая, по словам ученых, составляет большую часть массы нашей Вселенной, но которую они до сих пор не смогли идентифицировать.
«Это захватывающий пример того, что ученые могли бы сделать с данными, которые Roman уже получит, пока ищет планеты», — сказал Саху. «И результаты интересны, независимо от того, найдут ли ученые доказательства существования черных дыр массой Земли. В любом случае это укрепит наше понимание Вселенной».
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман управляется в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, при участии Лаборатории реактивного движения NASA и Caltech/IPAC в Южной Калифорнии, Научного института космического телескопа в Балтиморе и научной группы, состоящей из ученых из различных научно-исследовательских институтов. Основными промышленными партнерами являются BAE Systems, Inc в Боулдере, штат Колорадо; L3Harris Technologies в Рочестере, штат Нью-Йорк; и Teledyne Scientific & Imaging в Таузенд-Оукс, штат Калифорния.