Излучение Хокинга на горизонте: взрыв первичной черной дыры может изменить физику

Физики долгое время предполагали, что черные дыры могут заканчивать свою жизнь мощным взрывом, однако считалось, что подобные события происходят крайне редко — не чаще одного раза в сто тысяч лет. Это делало их практически недоступными для прямого наблюдения с помощью современных инструментов. Однако новое исследование, проведенное группой физиков из Массачусетского университета в Амхерсте и опубликованное в журнале Physical Review Letters, кардинально меняет эту точку зрения. Ученые утверждают, что с вероятностью более 90 процентов взрыв первичной черной дыры может быть зафиксирован в течение ближайшего десятилетия. Более того, они подчеркивают, что уже существующие наземные и космические телескопы обладают достаточной чувствительностью, чтобы засвидетельствовать это событие, если научное сообщество будет готово к нему.

Особое значение такого наблюдения заключается в том, что оно стало бы первым прямым доказательством существования так называемых первичных черных дыр — гипотетических объектов, которые, согласно теории, могли образоваться в самые первые моменты после Большого взрыва, менее чем через секунду после начала расширения Вселенной. В отличие от обычных черных дыр, возникающих в результате гравитационного коллапса массивных звезд, первичные черные дыры формировались бы из флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Их масса могла бы быть значительно меньше — от долей грамма до нескольких солнечных масс, что делает их потенциально способными к полному испарению в наши дни.

Ключевую роль в этом процессе играет излучение Хокинга — теоретическое явление, предсказанное Стивеном Хокингом в 1970-х годах. Согласно его расчетам, черные дыры не являются абсолютно черными: из-за квантовых эффектов на горизонте событий они могут испускать частицы и терять массу, постепенно «испаряясь». Чем меньше черная дыра, тем выше ее температура и интенсивнее испарение. В конечном итоге этот процесс становится лавинообразным: черная дыра стремительно теряет массу, нагревается и в конце концов взрывается, высвобождая огромное количество энергии и элементарных частиц. Именно этот финальный всплеск и может быть зарегистрирован современными детекторами.

До сих пор ни одно такое событие не было зафиксировано, что объяснялось крайне низкой оценкой частоты подобных взрывов. Однако команда из Массачусетского университета пересмотрела традиционные модели, введя новые предположения о свойствах первичных черных дыр. В частности, ученые рассмотрели возможность того, что такие объекты могут обладать так называемым «темным электрическим зарядом» — аналогом обычного электрического заряда, но связанного с гипотетической «темной» версией электромагнитного взаимодействия. Для этого они использовали так называемую «игрушечную модель темной квантовой электродинамики», в которой вводится тяжелая гипотетическая частица — «темный электрон».

Предположение о наличии у первичных черных дыр темного заряда оказалось принципиально важным. Оно позволяет им временно стабилизироваться в конце жизненного цикла, замедляя процесс испарения и увеличивая вероятность того, что взрыв произойдет именно в настоящее космологическое время. Этот механизм, как показывают расчеты команды, радикально повышает шансы на наблюдение таких событий. Если ранее ожидался один взрыв в сто тысяч лет, то теперь оценка меняется до одного события в десять лет.

Ученые подчеркивают, что они не утверждают, что взрыв обязательно произойдет в ближайшие годы, но указывают на высокую вероятность — более 90 процентов — того, что он будет зафиксирован в течение следующего десятилетия. Андреа Тамм, соавтор исследования, поясняет, что излучение Хокинга, особенно в финальной стадии, должно проявляться как короткий, но яркий всплеск высокоэнергетических частиц, который можно обнаружить с помощью гамма-телескопов, детекторов космических лучей и других приборов, уже находящихся в эксплуатации.

Хоаким Игуас Хуан отмечает, что если мы действительно зафиксируем такой сигнал, это станет беспрецедентным открытием. Во-первых, это будет первое прямое подтверждение существования излучения Хокинга — одного из самых загадочных и долгожданных предсказаний теоретической физики. Во-вторых, это даст неопровержимое свидетельство существования первичных черных дыр, открывая новую главу в космологии. Но самое удивительное — такой взрыв должен высвободить все типы элементарных частиц, которые когда-либо существовали во Вселенной.

Это означает, что анализ всплеска позволит получить полный каталог всех известных и неизвестных частиц — от электронов, кварков и бозона Хиггса до гипотетических компонентов темной материи и, возможно, совершенно новых форм материи, которые еще не предсказаны теорией. Такой «снимок частиц» конца черной дыры может стать самым ценным экспериментальным источником информации о фундаментальных законах природы. Он поможет понять, какие частицы доминировали в ранней Вселенной, как они взаимодействовали и как формировались основы материи, из которой состоит все, что мы видим.

Эйдан Саймонс, аспирант и соавтор работы, подчеркивает, что их выводы основаны не на спекуляциях, а на строгом анализе с учетом всех доступных экспериментальных ограничений. Майкл Бейкер добавляет, что ключевой шаг — отказ от предпосылки о полной электрической нейтральности первичных черных дыр — позволил переосмыслить их эволюцию и сделать прогнозы, совместимые с возможностями современной астрономии.

В целом, данное исследование представляет собой смелый вызов устоявшимся представлениям. Оно не только повышает надежду на открытие одного из самых экзотических явлений во Вселенной, но и предлагает конкретный путь к этому открытию. Если прогнозы окажутся верны, человечество может стать свидетелем события, которое изменит наше понимание физики, космологии и происхождения всего сущего. Такой взрыв первичной черной дыры станет не просто вспышкой света в ночном небе — он может стать ключом к ответу на самый фундаментальный вопрос: откуда взялось все, что есть?