Черная дыра не обязательно должна образоваться после гибели массивной звезды. Физики давно рассматривают возможность существования первичных черных дыр — гипотетических объектов, возникших из чрезвычайно плотных неоднородностей вещества вскоре после Большого взрыва. Новая теоретическая работа делает эту идею еще необычнее: если у пространства существует скрытое дополнительное измерение, некоторые древние черные дыры могли быть не четырехмерными, а пятимерными объектами.
В привычной физической картине мы живем в пространстве с тремя измерениями и движемся во времени, которое добавляет четвертое измерение пространства-времени. Однако некоторые модели фундаментальной физики допускают дополнительные пространственные измерения. Они могут оставаться незаметными потому, что имеют чрезвычайно малый размер или потому, что обычные частицы не способны свободно в них проникать.
Авторы исследования рассматривают сценарий так называемого темного измерения. В нем существует дополнительное пространственное измерение характерного микроскопического масштаба, тогда как известные частицы и взаимодействия в основном ограничены привычным нам миром. Гравитация занимает особое положение: она может распространяться в дополнительное измерение, поэтому на очень малых масштабах ее поведение способно отличаться от обычного четырехмерного описания.
Именно здесь появляются первичные черные дыры. В отличие от звездных черных дыр, масса и размеры гипотетических ПЧД могут находиться в чрезвычайно широком диапазоне. Если горизонт событий черной дыры становится сопоставимым с масштабом дополнительного измерения или меньше него, объект уже не обязан «чувствовать» пространство как четырехмерное. Его гравитационное поле может распространяться по дополнительному направлению, а геометрия самой черной дыры меняется.
Это важное различие. Черная дыра — не твердый шар, который можно просто поместить в пространство с другим количеством координат. Ее свойства определяются геометрией пространства-времени. Добавление еще одного измерения меняет зависимость гравитационного поля от расстояния, соотношение между массой и размером горизонта событий, температуру черной дыры и скорость, с которой она теряет энергию.
Авторы пересмотрели несколько возможных механизмов рождения первичных черных дыр в ранней Вселенной. Расчеты показали, что ответ на вопрос об их размерности зависит от способа формирования и последующей эволюции. Некоторые ПЧД первоначально способны вести себя как обычные четырехмерные черные дыры, но позднее такая конфигурация становится нестабильной и объект переходит в пятимерный режим.
Особенно интересным оказался сценарий образования из космических струн. Это тоже пока гипотетические объекты — чрезвычайно тонкие и массивные дефекты, которые могли возникнуть при фазовых переходах в ранней Вселенной. Замкнутая петля космической струны при определенных условиях способна сжаться настолько сильно, что образуется черная дыра. Согласно новой модели, такие первичные черные дыры могут быть пятимерными уже с момента рождения.
Количество измерений существенно влияет и на испарение черной дыры. Согласно квантовой теории, черные дыры излучают частицы — это знаменитое излучение Хокинга. Чем меньше черная дыра, тем выше ее температура и тем быстрее она обычно теряет массу. Поэтому очень маленькие первичные черные дыры в стандартной космологии должны были давно испариться, если их первоначальная масса была недостаточно велика.
Дополнительное измерение меняет эти расчеты. У пятимерной черной дыры иначе связаны масса, размер горизонта и температура, поэтому изменяется и время ее жизни. Авторы показывают, что при определенных условиях первичные черные дыры, возникшие из космических струн в модели темного измерения, способны существовать в течение времени, сопоставимого с возрастом современной Вселенной.
Это потенциально интересно и для проблемы темной материи. Первичные черные дыры давно рассматриваются как один из возможных ее компонентов, хотя наблюдения серьезно ограничивают допустимые диапазоны их масс и распространенности. Если дополнительное измерение меняет образование и испарение таких объектов, оно может изменить и те области параметров, где первичные черные дыры теоретически способны сохраниться до наших дней.
Однако здесь особенно важно не перепутать математическую возможность с открытием. Ученые не обнаружили ни пятимерную черную дыру, ни темное измерение, ни даже достоверную популяцию первичных черных дыр. Работа исследует последствия сразу нескольких гипотез: если дополнительное измерение существует и если в ранней Вселенной формировались ПЧД, тогда их эволюция может выглядеть именно так.
Ценность подобных исследований заключается в возможности связать разные теоретические идеи и получить потенциально проверяемые следствия. Если когда-нибудь будут обнаружены первичные черные дыры и удастся определить их массу, распределение или особенности испарения, эти данные могут стать необычным способом проверить геометрию пространства на масштабах, совершенно недоступных обычным экспериментам.
В этом смысле крошечная черная дыра могла бы оказаться своеобразным гравитационным зондом скрытой размерности. Мы наблюдали бы ее из привычного трехмерного пространства, тогда как часть создаваемого ею гравитационного поля существовала бы в направлении, непосредственно нам недоступном. Пока это только теоретическая возможность — но именно такие расчеты позволяют понять, какие следы мог бы оставить мир с большим числом измерений, если природа действительно устроена сложнее привычной четырехмерной картины.
- Понравилось: 27
А затем «Добавить на главный экран». 