"Суп" из кластеров: как в МИФИ объясняют происхождение первичных черных дыр
Гипотеза английского естествоиспытателя и геолога Джона Мичелла о существовании в космосе недоступных наблюдению объектов из-за невозможности выхода из них света (1784 год), находит сейчас подтверждение в десятках астрономических наблюдений. На данный момент учёными обнаружено около тысячи объектов во Вселенной, которые назвали черными дырами. Они представляют собой область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и сами фотоны.
Правда, на данный момент, все доказательства существования черных дыр являются косвенными, что, с точки зрения многих ученых, ничуть не уменьшает их значимости. Если бы истинными считались только прямые доказательства, – то надо было бы признать, что Солнце вращается вокруг Земли, а не наоборот. Уже давно понятно, что черные дыры могут образовываться после взрыва массивных звезд. Сейчас подобные процессы в космосе десятками наблюдают астрономы. Как предполагают учёные, практически каждая галактика (а их порядка сотни миллиардов) содержит в своем центре массивную черную дыру с массой в миллионы и миллиарды масс Солнца. Например, в центре нашей галактики "Млечный путь" существует черная дыра массой в несколько миллионов солнечных масс.
Однако данные наблюдений указывают все более определенно и на существование так называемых первичных черных дыр, которые образовались столь рано, что их появление трудно объяснить стандартным образом. Дело в том, что на формирование массивной черной дыры нужен как минимум миллиард лет. Вселенная родилась 13,8 миллиардов лет назад, получается, что самой древней черной дыре должно быть не меньше миллиарда лет от "рождества Вселенной". Однако обнаружены черные дыры, которые сформировались через 700 миллионов лет после образования Вселенной, – причем они очень массивны, – это миллиарды солнечных масс.
Кроме того, на существование не звездного пути формирования черных дыр указывают также и гравитационные волны, обнаруженные в 2016 году. Они были получены от слияния двух массивных черных дыр, – а значит эти объекты когда-то оказались поблизости. Вероятность таким массивным черным дырам сосуществовать близко друг от друга мала с точки зрения сценария их звездного происхождения.
Получается, существование первичных черных дыр нужно объяснять как-то по-другому. Подход, развиваемый в Национальном исследовательском ядерном университете "МИФИ" (научная группа профессора кафедры физики элементарных частиц Сергея Рубина) позволяет объяснить возникновение первичных черных дыр, не отвергая и параллельного звездного пути формирования.
"Представим, что Вселенная заполнена гипотетическим полем. – Рассказывает профессор Сергей Рубин – Если введено понятие поля, то обычно говорят о его потенциальной энергии. То есть, если задано поле, то известно какая у него энергия. Если поле изменило свое значение, то и энергия тоже изменила свое значение. То есть, потенциальная энергия (потенциал) зависит от величины этого поля. Никто не знает форму этого потенциал. Но, если предположить, что он имеет два минимума, то может оказаться, что за счет флуктуаций ранней расширяющейся Вселенной в некоторой части пространства поле перепрыгнет через "холмик-максимум" и скатится в минимум.
Как известно, вся энергия стремится к минимуму при наличии трения. То есть, основное пространство стремится к одному минимуму, а в маленькой области – оно же стремится к другому. И вот эта маленькая область обладает очень большой энергией, которая способна превратиться в черную дыру."
В отличие от многих других моделей формирования первичных черных дыр, вариант, предложенный физиками НИЯУ МИФИ под руководством Сергея Рубина, предполагает, что они образуются кластерами (скоплениями). Расчеты показали, что если в одной пространственной области существует вероятность перескочить через "холмик-максимум", то и в соседних областях эта вероятность довольно велика. Сейчас ученые работают над вариантами эволюции кластеров первичных черных дыр после их рождения.
"Самое интересное, что происходит с этими кластерами потом, – поясняет Сергей Рубин. – Ясно, что та область, которая перешла через максимум первой будет иметь наибольшую массу. Мы не знаем точно, что это за масса, каким именно будет распределение черных дыр по массам. Это, а также и последующая динамика зависят от параметров модели и начальных условий. Как только первичные черные дыры образовались, – они начинают друг с другом взаимодействовать, сталкиваться, сливаться. Кроме того, те черные дыры, которые находились на периферии, – начинают захватываться общим расширением пространства и улетают из кластера навсегда. То есть, кластеры начинают жить своей внутренней жизнью, вариться в "супе" ранней Вселенной. Короче говоря, эта динамика имеет сложный характер, и мы сейчас создаем код, который позволит анализировать все эти превращения".
К сожалению, проверить теорию Сергея Рубина с помощью эксперимента на ускорителе пока невозможно, – в лаборатории получить такое количество энергии, которой было бы достаточно для формирования черной дыры, – нельзя. Однако новые данные наблюдений за ранними черными дырами помогут в будущем ответить на вопросы их возникновения.