Наблюдение за возможным взрывом чёрной дыры и его значение
В 2023 году детектор KM3NeT зафиксировал нейтрино необычайно высокой энергии. Энергия этой частицы в сто тысяч раз превышала возможности Большого адронного коллайдера, что поставило вопрос об её источнике в наблюдаемой Вселенной. Группа физиков из Массачусетского университета в Амхерсте выдвинула гипотезу, согласно которой подобное событие может быть связано со взрывом особого типа чёрной дыры — первичной квази-экстремальной чёрной дыры, несущей так называемый «тёмный заряд».
Первичные чёрные дыры и радиация Хокинга
Стандартные чёрные дыры образуются в результате гравитационного коллапса массивных звёзд. Однако ещё в 1970-х годах Стивен Хокинг теоретически предсказал возможность существования другого класса — первичных чёрных дыр. Считается, что они могли сформироваться не из звёзд, а из экстремальных флуктуаций плотности в самой ранней, ещё «горячей» Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва. В отличие от звёздных, такие объекты могут иметь значительно меньшую массу.
Ключевым свойством первичных чёрных дыр является процесс испарения, известный как излучение Хокинга. Согласно этой концепции, чёрная дыра не является абсолютно стабильной: она может терять массу, излучая частицы. Чем меньше масса дыры, тем выше её температура и тем интенсивнее идёт процесс испарения. На финальной стадии этот процесс теоретически должен завершиться мощным взрывом, в котором высвобождается вся оставшаяся энергия и частицы. Именно такой взрыв, по предположению исследователей, мог породить зарегистрированное высокоэнергетическое нейтрино.
Загадка расходящихся данных и модель «тёмного заряда»
Обнаружение нейтрино детектором KM3NeT, однако, создало видимое противоречие. Другой крупнейший нейтринный обсерваторий, IceCube, расположенный во льдах Антарктики, не зафиксировал этого события. Более того, за всё время работы IceCube не регистрировал частиц с энергией, хотя бы приближенной к обнаруженной.
Для объяснения этого расхождения команда из Амхерста предложила модель первичной чёрной дыры, обладающей особым свойством — «тёмным зарядом». Эта гипотетическая характеристика является аналогом обычного электрического заряда, но связана с другой, ещё не открытой силой, действующей в «тёмном секторе» материи. В рамках этой модели частица, подобная электрону, но значительно более тяжёлая — «тёмный электрон» — может взаимодействовать с таким зарядом. Считается, что чёрная дыра, несущая тёмный заряд (квази-экстремальная чёрная дыра), будет испаряться и взрываться иначе, чем простая первичная чёрная дыра. Это может объяснить, почему мощный сигнал был зарегистрирован одним детектором, но не другим: особенности излучения и состав выброса могли быть иными.
Связь с тёмной материей и фундаментальной физикой
Исследователи полагают, что их модель может выйти за рамки объяснения одного нейтринного события. Если первичные чёрные дыры с тёмным зарядом действительно существуют и их популяция во Вселенной значительна, они могут являться кандидатом на роль тёмной материи — таинственной субстанции, которая не испускает электромагнитного излучения, но проявляется через гравитационные эффекты, влияя на движение галактик и скоплений.
Наблюдение и изучение подобных взрывов, если они будут подтверждены, открывает уникальные возможности. Оно может стать первым экспериментальным свидетельством излучения Хокинга, прямым доказательством существования первичных чёрных дыр и окном в физику за пределами Стандартной модели, включая мир гипотетических частиц тёмного сектора. Таким образом, одно необъяснимо высокоэнергетическое событие может указывать на путь к решению нескольких фундаментальных загадок современной космологии и физики элементарных частиц.