Версия для печати
Вернуться к списку

Российские ученые объяснили, как могли образоваться первичные черные дыры

Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) продемонстрировали, что предложенная ими модель образования первичных черных дыр в виде кластеров-скоплений не противоречит полученным новым наблюдениям, связанным с гравитационными волнами. Результаты опубликованы в журнале Physical Review D.

Известно, что любое событие, сопровождающееся ускоренным передвижением массы, порождает гравитационные волны, однако гравитация – очень слабое взаимодействие, поэтому амплитуда этих волн чрезвычайно мала.

Существование гравитационных волн было предсказано около века назад, но из-за крайней слабости предсказанных эффектов ученым долгое время не удавалось ни подтвердить, ни опровергнуть их существование.

Наконец, 14 сентября 2015 года коллаборации LIGO и VIRGO экспериментально доказали существование гравитационных волн. Это открытие в 2017 году было отмечено Нобелевской премией по физике.

За последние шесть лет исследователи получили новые сигналы прохождения гравитационных волн через Землю. Они начали использовать полученные данные в качестве источника информации о процессах в ранней Вселенной по зависимости амплитуды полученного сигнала от времени, рассказал профессор Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Сергей Рубин.

"У ученых появился еще один инструмент исследования Вселенной, наряду с космическими лучами, нейтрино и электромагнитным излучением в широком интервале длин волн. Очень быстро этот инструмент стал использоваться для подтверждения или опровержения моделей, описывающих различные этапы в жизни Вселенной", – рассказал он.

Одна из таких моделей описывает образование массивных первичных черных дыр в результате коллапса замкнутых поверхностей, характеризующихся повышенной плотностью энергии. Сразу после рождения такие поверхности совершают хаотические движения, подобно флагу на ветру. Согласно идее выпускника НИЯУ МИФИ Александра Сахарова, эти поверхности должны испускать гравитационные волны. Если их спектр совпадает с наблюдаемым на Земле, то модель образования первичных черных дыр, предложенная учеными НИЯУ МИФИ, получит подтверждение.

По словам Сергея Рубина, эта идея оказалась правильной. В статье, опубликованной в высокорейтинговом научном журнале, было показано, что такая модель образования первичных черных дыр не противоречит наблюдениям за гравитационными волнами. Тем не менее, тщательная и длительная проверка модели необходима.

В основе модели лежат современные экспериментальные данные, указывающие 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, и получается, что самой древней черной дыре должно быть не меньше миллиарда лет от "рождения Вселенной". Однако обнаружены черные дыры, которые сформировались через 700 миллионов лет после образования Вселенной, причем они очень массивны, это миллиарды солнечных масс.

Идея и модель образования черных дыр в результате коллапса замкнутых полевых поверхностей были предложены два десятилетия назад Рубиным, Сахаровым и Хлоповым. Эта модель продолжает развиваться группой НИЯУ МИФИ под научным руководством Сергея Рубина.

"Представим, что Вселенная заполнена гипотетическим полем. Его потенциальная энергия (потенциал) зависит от величины этого поля. Никто не знает форму этого потенциала. 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 окружена замкнутой поверхностью, которая способна превратиться в черную дыру”, – прокомментировал Сергей Рубин.

В отличие от многих других моделей формирования первичных черных дыр, вариант, предложенный в НИЯУ МИФИ, предполагает, что черные дыры 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.

"Самое интересное – что происходит с этими кластерами потом. Ясно, что та область, которая перешла через максимум первой, будет иметь наибольшую массу. Мы не знаем точно, каким будет распределение черных дыр по массам. Это, а также последующая динамика, зависит 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", – пояснил Рубин.

Ученым предстоит большая работа по дальнейшей проработке модели: определению температуры и химического состава в области, окружающей замкнутую поверхность, размера такой области, числа черных дыр и их массы. Идея Александра Сахарова по излучению гравитационных волн замкнутой поверхностью оказалась полезной.

По их словам, необходимо также проработать предположение о том, что образование таких замкнутых стенок связано с существованием дополнительных пространственных измерений.