Миниатюрные черные дыры: ключ к разгадке квантовой структуры пространства-времени

Микроскопические черные дыры, рождающиеся в результате катастрофических космических столкновений, могут дать уникальное представление о квантовой природе пространства и времени. Согласно новому теоретическому исследованию, опубликованному в журнале Nuclear Physics B, их сигналы можно обнаружить с помощью современных приборов.

«Наша работа показывает, что если такие объекты существуют, их излучение уже может быть зафиксировано существующими гамма-обсерваториями», — сообщил Франческо Саннино, физик-теоретик из Университета Южной Дании и соавтор исследования, в интервью Live Science.

Излучение Хокинга и самые маленькие черные дыры

Одна из главных загадок современной физики — поведение гравитации на квантовом уровне. Исследование предлагает использовать для ее изучения свет, излучаемый крошечными черными дырами, возникающими при слиянии массивных объектов.

В 1970-х Стивен Хокинг теоретически обосновал, что черные дыры не совсем черные: квантовые эффекты у их горизонта событий заставляют их излучать энергию и терять массу. Этот процесс, названный излучением Хокинга, зависит от массы дыр: гигантские астрофизические объекты почти не излучают, а миниатюрные «крошки» — крайне интенсивно.

«Эти мини-дыры, сравнимые по массе с астероидами, образуются при столкновении крупных черных дыр, — пояснил Джакомо Каччапалья, соавтор исследования из Национального центра научных исследований Франции. — Из-за крайне высокой температуры они быстро испаряются, испуская гамма-лучи и нейтрино».

Новый подход к квантовой гравитации

Хотя существование таких объектов пока не подтверждено, их формирование согласуется с теориями, выходящими за рамки общей теории относительности, включая струнную теорию и модели с дополнительными измерениями.

«Идея основана на аналогии со слиянием нейтронных звезд, — отметил Стефан Хохнеггер, соавтор работы из Лионского института физики. — В экстремальных условиях часть материи может коллапсировать в мини-дыры, которые испаряются за миллисекунды или годы, в зависимости от массы».

Если излучение таких объектов будет обнаружено, это станет прорывом. «Спектральные свойства излучения Хокинга могут указать на новые частицы или даже на дополнительные измерения», — добавил Саннино.

Как поймать сигнал

Исследователи предполагают, что сигналом мини-дыр станет запаздывающий всплеск гамма-лучей, излучаемых во всех направлениях. Зафиксировать его могут:

• Черенковские телескопы (HESS в Намибии, HAWC в Мексике);
• Космическая обсерватория Fermi;
• Китайская LHAASO.

«Некоторые приборы уже обладают необходимой чувствительностью», — подчеркнул Хохнеггер.

Команда также проанализировала данные HAWC и HESS, установив пределы массы, которая могла бы превратиться в «крошки» при слияниях черных дыр. Это первые в мире экспериментальные ограничения на подобные процессы.

Перспективы и вопросы

Несмотря на успехи, многое остаётся неясным. Условия формирования микро-дыр требуют уточнения, а их моделирование на существующих мощностях пока невозможно.

«Мы планируем усовершенствовать теоретические модели и работать с астрономами над анализом данных», — поделился Саннино.

Если гипотеза подтвердится, человечество получит не только новое понимание квантовой гравитации, но и инструмент для исследования недоступных ранее энергий. Как заключил Хохнеггер: «Эти объекты могут стать окном в неизведанные глубины Вселенной».

Ученые также предполагают, что изучение «крошек» может пролить свет на природу темной материи. Некоторые теории связывают ее с первичными черными дырами, образовавшимися в ранней Вселенной. Если мини-дыры окажутся стабильными, они могут составлять часть этой загадочной субстанции, не оставляющей электромагнитного следа. Это открыло бы путь к решению одной из главных космологических головоломок.