Первичная чёрная дыра

Рожденные в начале времен: первичные черные дыры

Первичная чёрная дыра

В ФИАНе прошла лекция профессора Лондонского университета Королевы Мэри Бернарда Дж. Карра. Профессор занимается изучением первичных черных дыр уже более пятидесяти лет.

В ФИАНе прошла лекция профессора Лондонского университета Королевы Мэри Бернарда Дж. Карра. Профессор занимается изучением первичных черных дыр уже более пятидесяти лет; на этой лекции он рассказал слушателям о том, чем первичные черные дыры отличаются от обыкновенных, зачем астрофизики занимаются их поиском, и как они могут быть связаны с темной материей.

Профессор Карр во время интервью в ФИАН

Первичные черные дыры – гипотетические космические объекты, которые могли образоваться на ранней стадии эволюции Вселенной, в эпоху доминирования излучения над веществом, называемой Горячей Вселенной.

В этот момент давление и температура Вселенной были крайне высокими, поэтому первичные черные дыры могли иметь как очень большие, так и очень маленькие массы, в то время как обычные черные дыры, образующиеся в результате коллапса звезд, имеют массы больше или порядка 10 масс Солнца.

Профессор Карр, рассказывая о том, как могли образоваться первичные черные дыры, отметил, что самая популярная гипотеза их происхождения – флуктуации гравитационного потенциала большой амплитуды, родившиеся на этапе инфляции Вселенной – быстрого экспоненциального расширения, вероятно, происходившего в самом начале Большого Взрыва. Впоследствии, на этапе Горячей Вселенной, эти флуктуации гравитационного потенциала превратились в возмущения плотности вещества. Результатом этих возмущений стало, например, возникновение галактик, их крупномасштабной структуры и т.  д. Подобный механизм мог привести и к появлению черных дыр в некоторый инфляционных моделях. Изучая первичные черные дыры, астрофизики могут узнать многое о физических условиях в Ранней Вселенной, в частности, о самом процессе инфляции.

Ученые разделяют первичные черные дыры на несколько видов в зависимости от их массы. Объекты с массой меньше миллиарда тонн были подвержены активному испарению за счет излучения Хокинга, поэтому сегодня мы не можем их наблюдать, однако их изучение представляет интерес, так как оно могло повлиять на разные процессы, происходившие во Вселенной ранее.

Такие как, например, синтез легких элементов или спектральные возмущения реликтового излучения.

Первичные дыры, имеющие массу больше миллиарда тонн, отличаются от черных дыр, образующихся в результате звездного коллапса только тем, что изначально не вращаются, поэтому они могут быть обнаружены аналогично: например, при наблюдении гравитационного линзирования – искажения хода световых лучей в гравитационном поле массивных объектов.

Существование первичных черных дыр не доказано до сих пор, однако если они все же реальны, это поможет решить многие важнейшие космологические проблемы, в частности, проблему темной материи.

«Физики ищут элементарные частицы, которые могли бы стать кандидатами на роль темной материи, более сорока лет, но пока безрезультатно. В то же время мы можем с уверенностью сказать, что черные дыры существуют», — заметил профессорКарр.

Согласно модели Большого взрыва, плотность барионной материи, в том числе обычных черных дыр, должна быть ниже, чем плотность темной материи. Однако первичные черные дыры образовывались не из тех барионов, которые существуют в настоящее время, а из смеси излучения и вещества, существовавшего в Горячей Вселенной, что делает их перспективными кандидатами на роль темной материи.

Теория первичных черных дыр может быть полезна и при анализе данных, получаемых гравитационно-волновым интерферометром LIGO. Черные дыры, зарегистрированные в ходе измерений, имеют несколько большую массу, чем предполагалось учеными. Одно из предлагаемых объяснений такого расхождения – то, что эти черные дыры могли быть первичными.

Кроме того, существует предположение о том, что первичными могут быть сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах галактик.

Традиционно предполагалось, что эти черные дыры образовались уже после формирования галактик, однако некоторые физики считают, что события развивались в обратном порядке.

Сверхмассивные первичные черные дыры могли также непосредственно оказывать некоторое влияние на формирование крупномасштабный космологической структуры.

Профессор Карр на лекции

Прочитанную лекцию профессор Карр посвятил памяти своего наставника Стивена Хокинга – знаменитого астрофизика, который умер в мае этого года. Важнейшим из его открытий является излучение черных дыр, названное в честь ученого.

«Интересно, что даже если первичные черные дыры и не существуют, их изучение имело огромное значение для науки: Стивен Хокинг открыл свое излучение, размышляя именно о первичных черных дырах!»  — подытожил профессор.

К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

___________________________

От редакции.

1. При желании Вы также можете посмотреть видеозапись лекции Б.Дж. Карра (язык – английский), размещенную на сайте ФИАН (https://www.lebedev.ru/ru/site-media/media-video/nauchnaya-deyatelnost/video/92.html)

2. Публичная лекция проф. Б.Дж. Карра в ФИАН организована при деятельном участии Научно-инновационной сети Великобритании в России (UK Science and Innovation Network in Russia)  (https://.com/UKSINet)

Источник: https://scientificrussia.ru/articles/rozhdennye-v-nachale-vremen-pervichnye-chernye-dyry

Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются

Первичная чёрная дыра

Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.

Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается.

Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля.

У некоторыхчерных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.

Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.

Гравитационный коллапс очень массивной звезды.

Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной.

По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.

Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа.

По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда.

Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.

Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими.

В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной.

Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 1014 до 1023 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.

Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.

Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.

С 1970-х годов в среде астрофизиков существует теория белых дыр — полной противоположности черных дыр, которые не пропускают в себя материю и энергию, а только выбрасывают ее.

Согласно математическим расчетам, белые дыры должны выбрасывать энергию и материю в огромном количестве, однако на сегодняшний день ученые не смогли найти доказательство существования этих космических объектов.

Существует множество теорий возникновения белых дыр, начиная с того, что белой дырой был Большой взрыв, и заканчивая возникновением этого объекта в результате смерти черной дыры. Подробнее об этом типе космических объектов «Хайтек» подробно рассказывал здесь.

При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.

Открытие черных дыр

Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.

В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.

Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения.

И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.

Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр».

Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры.

Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).

Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.

Существует несколько типов черных дыр:

  • Черная звезда звездной массы. Такие объекты, согласно общепринятым гипотезам, возникают в результате коллапса звезды. Минимальная масса тела, которая должна создать такой объект, составляет около трех солнечных.
  • Черная звезда средней массы. Промежуточный этап черной дыры, которая увеличилась за счет поглощения в себя газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд.
  • Сверхмассивные черные дыры. Объекты с массой с 105–1011 масс Солнца с достаточно невысокой плотностью и слабыми приливными силами. Именно такая черная дыра находится в центре Млечного пути.
  • Ультрамассивные черные дыры. Достаточно редкое явление во Вселенной. Например, в центре галактики Holm 15A, самой яркой в скоплении галактик Абель, ученые недавно обнаружили ультрамассивную черную дыру с массой в 40 млрд солнечных. Пока это самый тяжелый объект во Вселенной, известный ученым. Обнаружить объект исследователям удалось в ходе наблюдений за движением звезд в этой галактике. Его масса вдвое больше, чем у предыдущих рекордсменов. Кроме того, он в 10 000 раз массивнее, чем черная дыра Стрелец А* в центре Млечного пути.

Сколько черных дыр во Вселенной?

Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.

Источник: https://hightech.fm/2020/02/06/holes-are-black

Черные дыры: самые таинственные объекты Вселенной

Первичная чёрная дыра

Черная дыра — объект (область в пространстве-времени), чья гравитация настолько велика, что он притягивает все известные объекты, включая те, которые движутся со скоростью света. Кванты самого света также не могут покинуть эту область, поэтому черная дыра невидима.

Наблюдать можно только за электромагнитными волнами, радиацией и искажениями пространства вокруг черной дыры.

На снимке, опубликованном Event Horizon Telescope, изображен горизонт событий черной дыры — граница области со сверхсильной гравитацией, обрамленная аккреционным диском — светящейся материей, которую «засасывает» дыра.

Термин «черная дыра» появился в середине XX века, его ввел американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер. Он впервые употребил этот термин на научной конференции в 1967 году.

Однако предположения о существовании объектов настолько массивных, что силу их притяжения не может преодолеть даже свет, выдвигались еще в XVIII веке. Современная теория черных дыр начала формироваться в рамках общей теории относительности. Интересно, что сам Альберт Эйнштейн в существование черных дыр не верил.

Ученые полагают, что черные дыры бывают разными по происхождению. Черной дырой в конце жизни становятся массивные звезды: за миллиарды лет в них меняется состав газов, температура, что приводит к нарушению равновесия между гравитацией звезды и давлением раскаленных газов.

Тогда происходит коллапс звезды: ее объем уменьшается, но, поскольку масса не меняется, растет плотность. Типичная черная дыра звездной массы имеет радиус 30 километров и плотность вещества более 200 млн тонн на кубический сантиметр.

Для сравнения: чтобы Земля стала черной дырой, ее радиус должен составить 9 миллиметров.

Существует еще один вид черных дыр — сверхмассивные черные дыры, которые образуют ядра большинства галактик. Их масса в миллиард раз больше массы звездных черных дыр. Происхождение сверхмассивных черных дыр неизвестно, есть гипотеза, что когда-то они были черными дырами звездной массы, которые росли, поглощая другие звезды.

Есть также спорная идея о существовании первичных черных дыр, которые могли появиться от сжатия любой массы в начале существования Вселенной. Кроме того, существует предположение, что очень маленькие черные дыры с массой, близкой массе элементарных частиц, образуются на Большом адронном коллайдере. Однако подтверждения этой версии пока нет.

В центре галактики Млечный Путь есть черная дыра — Стрелец А*. Ее масса в четыре миллиона раз больше массы Солнца, а размер — 25 миллионов километров — примерно равен диаметру 18 солнц.

Подобные масштабы заставляют некоторых задаваться вопросом: а не угрожает ли черная дыра всей нашей галактике? Основания для таких предположений есть не только у фантастов: несколько лет назад ученые сообщили о галактике W2246–0526, которая находится в 12,5 млрд световых лет от нашей планеты.

Согласно описанию астрономов, находящаяся в центре W2246–0526 свермассивная черная дыра постепенно разрывает ее на части, а возникающее в результате этого процесса излучение разгоняет во все стороны раскаленные гигантские облака газа. Разрываемая черной дырой галактика светится ярче, чем 300 триллионов солнц.

Однако нашей родной галактике ничего подобного не угрожает (по крайней мере в краткосрочной перспективе).

Большинство объектов Млечного Пути, включая Солнечную систему, находится слишком далеко от черной дыры, чтобы ощутить ее притяжение.

Кроме того, «наша» черная дыра не втягивает весь материал, как пылесос, а выступает лишь гравитационном якорем для группы звезд, находящихся на орбите вокруг нее — как Солнце для планет.

Впрочем, даже если мы когда-нибудь и попадем за горизонт событий черной дыры то, скорее всего, даже не заметим этого.

Объект, притянутый черной дырой, скорее всего, не сможет оттуда вернуться. Чтобы преодолеть гравитацию черной дыры, нужно развить скорость выше скорости света, но человечество пока не знает, как это можно сделать.

Гравитационное поле вокруг черной дыры очень сильно и неоднородно, поэтому все объекты рядом с ней меняют форму и структуру.

Та сторона предмета, которая находится ближе к горизонту событий, притягивается с большей силой и падает с большим ускорением, поэтому весь предмет растягивается, становясь похожим на макаронину.

Это явление описал в своей книге «Краткая история времени» знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг. Еще до Хокинга астрофизики назвали это явление спагеттификацией.

Если описывать спагеттификацию с точки зрения космонавта, который подлетел к черной дыре ногами вперед, то гравитационное поле будет затягивать его ноги, а затем растянет и разорвет тело, превратив его в поток субатомных частиц.

Со стороны увидеть падение в черную дыру невозможно, так как она поглощает свет. Сторонний наблюдатель увидит лишь, что приближающийся к черной дыре объект постепенно замедляется, а затем и вовсе останавливается. После этого силуэт объекта будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, и наконец просто исчезнет навсегда.

По предположению Стивена Хокинга, все объекты, которые притягивает черная дыра, остаются в горизонте событий. Из теории относительности следует, что вблизи черной дыры время замедляется вплоть до остановки, поэтому для того, кто падает, самого падения в черную дыру может никогда не произойти.

Достоверного ответа на этот вопрос по понятным причинам сейчас не существует. Впрочем, ученые сходятся во мнении, что внутри черной дыры привычные нам законы физики уже не действуют.

Согласно одной из самых захватывающих и экзотических гипотез, пространственно-временной континуум вокруг черной дыры искажается настолько, что в самой реальности образуется прореха, которая может быть порталом в другую вселенную — или так называемой кротовой норой.

Новости по теме

Источник: https://www.ntv.ru/card/2981/

Первичные черные дыры назвали самым простым объяснением загадок космологии

Первичная чёрная дыра

Александр Долгов из Новосибирского государственного университета обратился к проблеме избытка черных дыр в ранней Вселенной и, отталкиваясь от последних наблюдательных данных, пришел к выводу, что такой избыток связан с первичными черными дырами, впервые предсказанными Новиковым и Зельдовичем еще в советское время. Чтобы объяснить этот избыток, Долгов обращается к механизму, впервые обозначенному еще в статье 1967 года. С текстом соответствующей работы можно ознакомиться на сервере препринтов Корнелльского университета.

Исследователь отмечает, что стандартная космологическая модель предполагала, будто на формирование большого количества звезд, черных дыр и тяжелых элементов (и дыры, и тяжелые элементы образуются из звезд) потребуется заметное время, и, соответственно, в ранней Вселенной их будет довольно мало. Однако астрономические наблюдения последних лет показали совсем иную картину.

Уже сегодня известно около 40 квазаров (объектов, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры) на красном смещении меньше z=6. Такое красное смещение соответствует возрасту событий в 12,9 миллиарда лет и менее.

Что особенно удивляет, масса черных дыр в центрах таких квазаров — до миллиардов масс Солнца, что в сотни раз выше, чем у Стрельца А* — сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Но нашей Галактике многие миллиарды лет, а 12,9 миллиарда лет назад и всей Вселенной не было миллиарда лет.

Когда эти десятки черных дыр успели набрать такую огромную массу? Ни одна существующая сегодня модель роста черных дыр не показывает, что такой быстрый рост вообще возможен. Аккреционный диск, через который черная дыра захватывает вещество, позволяет ей расти никак не быстрее миллионов масс Солнца за миллиард лет.

Сходные проблемы наблюдаются и с галактиками: самые молодые из них образовались через 400 миллионов лет после Большого взрыва, хотя в теории за это время просто не могло образоваться достаточное количество звезд.

Большие проблемы возникают не только с объектами ранней Вселенной, но с существующими ныне. В современных эллиптических галактиках массы черных дыр иной раз превышают десяток миллиардов масс Солнца. Ни одна модель поглощения материи черной дырой не показывает возможности набора ею такой массы за срок, равный 15 миллиардам лет. Однако и этот срок больше, чем время жизни нашей Вселенной.

Другой проблемой являются недавние открытия слияний черных дыр, сделанные с помощью гравитационных детекторов LIGO. Большинство известных на сегодня кандидатов — пары черных дыр, массивнее 30 масс Солнца. Не так просто представить себе, как такие пары могли бы появиться.

Дело в том, что если они образовались из массивных звезд, то все модели эволюции пар массивных звезд указывают на то, что одна из них должна стать черной дырой быстрее другой — и затем «обокрасть» второе светило, перетянув на себя материю из его внешних слоев, после чего вторая звезда по идее уже не должна стать черной дырой, тем более имеющей массу от 30 солнечных и выше.

Чтобы объяснить весь этот набор данных, слабо совместимых со Стандартной моделью космологии, Долгов предлагает обратиться к конкреции первичных черных дыр. Впервые возможность их существования была предсказана Зеельдовичем и Новиковым в 1960-х годах.

В ее рамках сразу после Большого взрыва, когда давление и температура во Вселенной были еще достаточно высокими, колебания в плотности распределения материи были весьма высокими — настолько, что ее плотность в ряде точек могла быть достаточной для коллапсирования в черные дыры.

Согласно Долгову, такие первичные черные дыры могут решить сразу несколько проблем современной космологии. Во-первых, если они есть, то должны быть распределены не так, как распределены звезды и газ/пыль в галактиках, а более равномерно, поскольку неоднородности в первичном распределении материи должны были быть распределены сравнительно равномерно.

То есть первичных черных дыр должно быть много на окраинах галактик, в районах, которые принято называть галактическим гало. Там они могут играть роль того, что астрономы сейчас называют темной материй, — раскручивать периферийные области галактик. Это объяснило бы то, почему никаких частиц темной материи в целом ряде экспериментов найти так и не удалось.

Кроме того, концепция первичных черных дыр может объяснить эволюцию галактик.

Как отмечает автор, эллиптические галактики большой массы имеют, как правило, центральные черные дыры массой в миллиарды масс Солнца, а спиральные, типа нашей, — лишь в миллионы масс Солнца.

Возможно, предполагает он, форма галактик определяется тем, какая первичная черная дыра оказалась в ее центре в ранней Вселенной: там, где дыра была массивнее, возникла эллиптическая галактика. Там, где менее массивной, — спиральная.

Естественно, в таком сценарии легко объяснить и существование пар черных дыр, слияние которых регистрирует LIGO, — это просто первичные черные дыры умеренных масс. Ясно и то, откуда в ранней Вселенной менее чем через миллиард лет после Большого взрыва появились квазары с черными дырами в миллиарды масс Солнца.

Естественно, что если какие-то первичные черные дыры имели особо большую массу, то они могли быть сверхмассивными уже в самом начале своей истории.

Понятно и то, почему галактики во Вселенной появляются в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва — «семена» в виде первичных черных дыр должны были бы резко ускорить эволюцию галактик, собирая своим тяготением вещество из окружавшего их пространства.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/6816876

Первичная чёрная дыра

Первичная чёрная дыра

Определение 1

Первичная черная дыра – это первичное образование, возникшее в самую раннюю эпоху времен в космологии и обладающее способностью черной дыры к поглощению всего вещества и излучения.

Совместно с черными дырами, которые возникают при естественной эволюции звезд или Галактик, могут существовать черные дыры как первичные образования, появившиеся в ранние космологические времена. Так, при достаточной неоднородности ранней Вселенной, масса существенно меньшая, чем масса большой нейтронной звезды, могла совершить коллапс, с появлением черной дыры.

Имеется значимая причина того, что Вселенная была не изотропна и однородна в очень ранние времена. Эта причина в том, что масса внутри горизонта частицы (мера количества вещества в причинном контакте) стремится к нулю при подходе к начальной сингулярности.

Замечание 1

Современная Вселенная считается изотропной и в больших масштабах однородной. С другой стороны, Вселенная обладает хорошо развитой структурой в масштабе Галактик и более мелких образований.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Гипотеза о возникновении первичных черных дыр

Можно предположить, что Галактики возникли при увеличении маленьких неоднородностей в результате гравитационной неустойчивости. В этом случае теория должна включать малые, конечные возмущения (амплитуда примерно 0,01) метрики Фридмана. Эти возмущения в начале расширения Вселенной около сингулярности должны обладать количеством барионов равным числу барионов современных Галактик.

На масштабе, где амплитуда возмущений была равна единице, мог состояться коллапс первоматерии, при котором горизонт событий примерно равен масштабу возмущения. Так, возможно возникали первичные черные дыры, массы которых были от массы Планка и больше.

О возможности существования первичных черных дыр первыми заявили в 1966 году Зельдович и Новиков, позднее в 1971 году Хокинг.

Интерес к первичным черным дырам активизировался после открытия Хокингом квантового испарения черных дыр, имеющих малые массы. Испарение Хокинга представляет особый интерес в связи с:

  • его значением в понимании физики процессов на ранних стадиях развития Вселенной;
  • реализацией пути регистрации наличия первичных черных дыр.

Теории о первичных черных дырах могут стать решающими в объединении квантовой механики и теорий гравитации.

Первичные черные дыры могли бы помочь объяснить множество загадок ранних этапов развития Вселенной.

Однако, пока нет сведений о наблюдениях, доказывающих сам факт существования первичных черных дыр.

Замечание 2

Вероятность обнаружения первичных черных дыр при помощи прямых или косвенных методов по их радиационным эффектам сегодня незначительна.

Гипотеза космологического формирования первичных черных дыр

Для совершения коллапса некоторой массы $M$ с образованием черной дыры в ранней Вселенной с высокой температурой, плотность Вселенной ($\rho$) должна быть в два раза больше, чем плотность окружающего массу $M$ вещества, когда Вселенная расширилась достаточно для того, чтобы горизонт частицы (длина $\sim ct$, где $t$ — возраст Вселенной) стал равен размеру массы (длина $\sim (\frac{M}{\rho’}){\frac{1}{3}}$, где $\rho’ $- плотность вещества Вселенной).

Зная космологическую связь между плотностью Вселенной и ее возрастом:

$\rho’ (\sim Gt2){-1}(1)$,

получим соотношение массы черной дыры, плотности вещества Вселенной и времени ее возникновения:

$M \sim (\frac{c6}{\rho’ G3}){\frac{1}{3}}\sim 10(\frac{t}{10{-4}}c)M_c (2).$

Ряд авторов предполагают, что минимальная масса первичной черной дыры должна составлять примерно одну массу Солнца ($M_c$).

Были высказаны идеи о том, что первичные черные дыры за время преобладания излучения, могли вырасти до дыр с массами $\sim 10{16}M_c$ к моменту превращения электронов и протонов в водород при $T \sim 4000 К$.

Позднее Карр и Хокинг определили что:

  • первичные черные дыры, вероятно, смогли лишь увеличить свою массу в двое после того, как дыра оказалась внутри своего горизонта событий;
  • большое число черных дыр с массами, меньшими $10{16}M_c$ могут пройти расширение Вселенной без значительного увеличения массы.

Статистические флуктуации плотности первичных черных дыр считаются не связанными с окружающим излучением, в этой связи они могут нарастать за космологические времена и становиться основами для возникновения Галактик и их скоплений.

Первичные черные дыры могут образовывать системы, связанные гравитацией, которые могут эволюционировать, излучая гравитационные волны.

Если большая часть всех первичных черных дыр возникает в таких системах, и если каждая система эволюционирует сжимаясь, и слипается в единую дыру при некотором красном смещении, то при этом должно существовать изотропное гравитационное фоновое излучение.

Данный фон можно будет проще обнаружить, чем гравитационно-волновой фон, если он не претерпевает красного смещения к частотам меньшим 100 МГц.

Возможность наблюдения первичных черных дыр

В настоящее время внимание большого числа астрофизиков всего мира сконцентрировано на свойствах черных дыр с массами $M \sim 10{15}г$. Эти дыры испаряются в соответствии с гипотезой Хокинга, за время, которое можно сравнить со временем существования Вселенной.

Была вычислена массы дыры, которая испаряется за настоящее время существования Вселенной, получено: $5\bullet 10{14} \leq M_h \leq 7\bullet 10{14}г$. Точная величина $M_h$ связана со спином дыры.

Найдено, что большая часть испаряемой светимости выделяется в виде $\gamma$ — лучей с пиком энергии $\sim 100 MэВ$.

$\gamma$ — излучение можно обнаружить следующими способами:

  1. Можно провести детекцию интегрального фона от первичной черной дыры до красного смещения $\sim 1$.
  2. Можно пытаться увидеть $\gamma$ — излучение отдельных первичных черных дыр, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга.
  3. Наиболее многообещающими считают наблюдение взрыва черной дыры. Когда масса дыры становится меньше $M_h$, излучаемая ей мощность увеличивается как $(-t){-\frac{2}{3}}$, где $t$ — время, которое отсчитывают от момента окончательного исчезновения дыры. Остатки массы покоя дыры излучаются при взрыве.

Взрывающаяся черная дыра должна генерировать большое количество электронно-позитронных пар. Данные частицы должны быть быстро остановлены межзвездным магнитным полем. Но в этом случае поле будет сметено и сжато так, что возникнет когерентный импульс электромагнитной волны низкой частоты.

При взрыве дыры с температурой $\sim 10$ ГэВ, может возникать когерентное оптическое излучение.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/pervichnaya_chernaya_dyra/

Booksm
Добавить комментарий