О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Беларусь
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: https://grani-ru-org.appspot.com/Society/Science/m.127597.html

статья Большой взрыв породил триллионы черных дыр

Максим Борисов, 21.09.2007
Черная дыра. Изображение с сайта www.uic.nnov.ru/~ini/3.html
Черная дыра. Изображение с сайта www.uic.nnov.ru/~ini/3.html
Реклама
справка Справка

Темное вещество

Темное вещество (dark matter) составляет приблизительно 23% массового-энергетического "бюджета" Вселенной. Нормальное вещество, материал звезд, планет и людей, вносит только 4%. (Остальную часть Вселенной составляет еще более таинственная вещь, названная темной энергией - dark energy)

Некоторая малая часть темного вещества была уже идентифицирована и больше не является тайной. Трудноуловимые частицы нейтрино, про которые когда-то думали, что они имеют массу покоя, равную нулю, подобно фотонам, теперь признаны имеющими некий ненулевой вес и составляют часть этого самого "бюджета". Холодные мертвые звезды, найденные недавно в большом количестве, также вносят свой скромный вклад в этот общий зачет.

Согласно весьма популярной, но пока никем не подтвержденной теории, небольшие черные дыры появились уже в самые первые мгновения существования нашей Вселенной. Это так называемые первичные (первородные) черные дыры - ПЧД (primordial black holes - PBHs). Обнаружение этих самых ПЧД было бы весьма на руку как экспериментаторам, так и теоретикам. Такие черные дыры могут использоваться для зондирования самой ранней Вселенной (первых долей секунды после Большого взрыва), а также для объяснения эффектов, вызываемых неведомой пока невидимой материей, называемой темным веществом (которое составляет большую часть всего вещества Вселенной - превышает в несколько раз массу обычной светящейся (барионной) материи).

Есть несколько разных путей, посредством которых ПЧД могли бы формироваться в адских условиях самой ранней Вселенной. Например, их может порождать концентрация энергии, которая связана с экзотическими энергетическими полями. Такие области (при неоднородности гравитационного поля) могли бы испытывать коллапс под действием собственной гравитации в соответствии с Общей теорией относительности Эйнштейна, постулировавшей эквивалентность энергии и массы (энергия способна точно так же, как и вещество, формировать гравитационные поля, т.е. приводить к появлению тех же черных дыр). Следствием подобных процессов стала и так называемая инфляция - то есть сверхбыстрое "раздувание" ранней Вселенной, в ходе которого само пространство расширялось со сверхсветовыми скоростями. Интересно, что масса первичных черных дыр не ограничена снизу (как при рождении "современной" ЧД в результате звездного коллапса).

Вариации в массах ПЧД, рожденных Большим взрывом, напрямую зависят от конкретных сценариев их формирования. При этом наименее массивные ЧД (с массой, не превышающей массу типичной кометы - триллиона килограммов), должны довольно быстро испаряться за счет квантового процесса, описанного впервые Стивеном Хокингом (носит название радиации Хокинга или излучения Хокинга). До сих пор появлялись лишь неподтвержденные сообщения о регистрации излучения, исходящего от испаряющихся маломассивных ЧД (а последние такие ПЧД как раз только-только должны заканчивать свое существование).

Более массивные ПЧД (массой до 100 тысяч солнц) могут не только без труда доживать до нашего времени, но и оставлять свои "отпечатки" в космическом микроволновом фоне (cosmic microwave background - CMB) - реликтовом излучении, испущенном остывающим веществом спустя примерно 400 тысяч лет после Большого взрыва. Окрестности таких черных дыр излучают рентген в ходе поглощения "гравитационными монстрами" окружающей материи, и вот это рентгеновское излучение могло бы приводить к ионизации водородных атомов - тем самым накладывая свой отпечаток на весь ход процессов распределения вещества в ранней Вселенной, находя отражение в тех вариациях высокой и низкой плотности, что проявляются теперь в карте температурной анизотропии микроволнового фонового излучения.

Более того, этот эффект мог бы объяснить наличие озадачивающего несоответствия между результатами, полученными на третий год от зонда для исследования микроволновой анизотропии Wilkinson Microwave Anisotopy Probe - WMAP (который строил карту небольших температурных вариаций CMB), и реальной кластеризацией окружающих нас галактик. Несоответствие между двумя этими картинами характеризуется параметром, обозначаемым как sigma_8. С помощью этого параметра описывают процессы группировки вещества в условиях ранней Вселенной. Согласно недавнему исследованию, проведенному под руководством Массимо Рикотти (Massimo Ricotti) из американского Университета штата Мэриленд (University of Maryland), поправка, вызванная воздействием ПЧД, позволяет строить модели, более согласованные с реальным положением вещей (соответствующая статья принята для публикации в "Астрофизическом журнале" (Astrophysical Journal - ApJ)).

Сам Рикотти, конечно, не считает, что проделанных им вычислений достаточно для того, чтобы существование первичных черных дыр можно было бы считать доказанным. И до сих пор остается надежда на то, что дальнейшие более точные измерения и учет поправок, имеющих менее экзотичную природу, позволят привести в согласие эксперимент и теоретические предсказания.

Эффект ионизации от ПЧД мог бы отражаться не только на распределении реликтового излучения, но и на скорости образования первых звезд. Ведь наличие свободных электронов помогает объединяться в молекулы парам водородных атомов. "При наличии первичных черных дыр должно было бы образовываться в 10 или даже в 100 раз больше молекулярного водорода, чем без них", - говорит Рикотти. Молекулярный водород в свою очередь способствует охлаждению газовых облаков, сбрасывая избыточную радиацию. Охлаждение позволяет облакам сжиматься и уплотняться в зародыши протозвезд. Рикотти считает, что Космический телескоп имени Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope), запуск которого намечен NASA на 2013 год, вероятно, сможет зафиксировать наличие ускоренных темпов звездообразования, определяемых ионизацией, вызванной первичными черными дырами.

Необычно высокие уровни ионизации в условиях ранней Вселенной (из-за рентгеновских лучей, испускаемых ПЧД) могут быть выявлены и посредством европейского спутника Planck ("Планк"), запуск которого намечен на середину 2008 года. Так считает Рэйчел Бин (Rachel Bean) из Корнеллского университета (Cornell University, Итака, штат Нью-Йорк) - член группы, занятой теперь работой с WMAP.

В сценариях образования ПЧД, учитывающих инфляционные процессы, количество формирующихся ПЧД зависит от масштабов флуктуаций в инфляционной области. "В некоторых инфляционных моделях может формироваться большое количество ПЧД, а в других - их совсем немного, - поясняет Рикотти. - Если такие черные дыры образовывались в недостаточных количествах, то они не так интересны". Потому как самым интригующим аспектом существования первичных черных дыр следует назвать возможность их выживания (до настоящего момента) в достаточно больших количествах. Тогда "облака", состоящие из ЧД этого типа, могли бы составить изрядную долю или же даже все таинственное ненаблюдаемое темное вещество. Главная проблема с этим вариантом состоит в том, что до сих пор неясно, существовали ли когда-либо во Вселенной условия, подходящие для формирования достаточного количества ПЧД.

В любом случае, если бы появились убедительные свидетельства существования первичных черных дыр (хотя бы немногочисленных), это дало бы в руки ученым чрезвычайно важный инструмент изучения начального этапа развития нашего мира, о котором теперь мало что известно. Ведь типичная масса таких реликтов позволила бы судить о времени их рождения (разные сценарии их формирования привязаны к разным временам и при этом дают различные массы). Если они формировались в конце инфляционного этапа, то их существование позволит получить важную информацию о неведомой нам физике данного периода быстрого расширения. "Вы могли бы исключить те модели инфляции, что не приводят к появлению подобных черных дыр", - объясняет физик из Университета штата Юта (Southern Utah University - SUU) Джеймс Чизхолм (James Chisholm). - Кто-то, вероятно, за это получит Нобелевскую премию..."

Источники:
Did the big bang spawn trillions of black holes? - New Scientist
Effect of Primordial Black Holes on the Cosmic Microwave Background and Cosmological Parameter Estimates - arXiv.org - astro-ph

Ссылки:
Влияние первичных черных дыр на микроволновое фоновое излучение и оценки космологических параметров
Черные дыры (обзоры astro-ph)
Черные дыры не так уж черны (С. Хокинг, "Краткая история времени")
Kвантовые черные дыры
Первичные черные дыры
Первичные черные дыры
Космология, первичные черные дыры и сверхмассивные частицы
Мир после Сингулярности

Максим Борисов, 21.09.2007


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама




Выбор читателей