Призрак из Облака Оорта: мог ли последний миг черной дыры породить самое мощное энергетическое нейтрино?

Во Вселенной, полной загадок, немногие явления столь же неуловимые и интригующие, как нейтрино. Эти «частицы-призраки» пронизывают пространство и наши тела, не оставляя почти никакого следа, словно тени от невидимого мира. Но иногда одна из этих теней оказывается гигантской. В феврале 2023 года подводный детектор KM3NeT в Средиземном море зафиксировал нечто экстраординарное: нейтрино с рекордной энергией, превышающей 100 петаэлектронвольт. Один петаэлектронвольт эквивалентен энергии 1 квадриллиона электронвольт. Это невообразимая мощь, в миллионы раз превосходящая энергию частиц в Большом адронном коллайдере. Источник этого космического снаряда оставался полной загадкой, бросив вызов современной астрофизике.

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) предложили смелое и элегантное решение этой головоломки, которое, если оно подтвердится, может стать одним из величайших открытий в современной физике. Согласно их исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, эта частица-призрак могла быть последним «вздохом» первичной черной дыры — реликта Большого взрыва, взорвавшегося по соседству с нашей Солнечной системой в результате процесса, предсказанного Стивеном Хокингом. Этот сценарий не только объясняет аномальную частицу, но и предлагает убедительное доказательство того, что таинственная темная материя, составляющая 85% вещества Вселенной, и есть не что иное, как множество этих древних, исчезающих черных дыр.

Гипотеза исследователей, Александры Клипфель и профессора Дэвида Кайзера, опирается на два ключевых концепта: первичные черные дыры (ПЧД) и излучение Хокинга. Считается, что ПЧД образовались не из коллапсирующих звезд, как их более массивные собратья, а в экстремальных условиях первых мгновений после Большого взрыва. Они могут иметь самые разные массы, но в данном контексте рассматриваются микроскопические объекты массой около астероида, но размером меньше атома.

Согласно революционному предсказанию Стивена Хокинга, черные дыры не абсолютно черны. Они должны испускать квантовое излучение, теряя при этом массу и энергию. Для огромных астрофизических черных дыр этот процесс ничтожно медленный и совершенно ненаблюдаемый. Однако для микроскопических первичных черных дыр все иначе. Их малый размер делает их чрезвычайно горячими. По мере испарения они становятся все меньше и горячее, а темп излучения нарастает в лавинообразном процессе, который завершается колоссальным взрывом невероятно энергичных частиц в последние мгновения их жизни.

Ученые MIT провели серию сложных расчетов, чтобы проверить, может ли такой взрыв объяснить данные детекторов. Они определили, что в последнюю наносекунду своего существования испаряющаяся ПЧД испускает около секстиллиона (10²⁰) частиц, включая нейтрино с энергиями, поразительно совпадающими с зафиксированными KM3NeT — около 100 петаэлектронвольт.

Далее они рассчитали, как часто такие взрывы должны происходить в нашей Галактике, если ПЧД действительно являются основной составляющей темной материи. Оказалось, что в объеме пространства размером с кубический парсек (область стороной около 3.26 световых года) в Млечном Пути ежегодно должно взрываться около 1000 первичных черных дыр. Чтобы одно конкретное нейтрино от такого взрыва достигло Земли с наблюдаемой энергией, событие должно было произойти относительно недалеко по космическим меркам — на расстоянии примерно 2000 астрономических единиц (в 2000 раз дальше, чем Земля от Солнца). Это все еще в пределах загадочного облака Оорта на окраине нашей Солнечной системы.

Вероятность такого близкого взрыва, по расчетам команды, составляет около 8% раз в 14 лет. Хотя это не высокая вероятность, она статистически значима и вполне правдоподобна, особенно при отсутствии других убедительных объяснений.

Предложенная модель также предлагает изящное решение кажущегося противоречия между данными детекторов IceCube и KM3NeT. IceCube регулярно регистрирует нейтрино высоких энергий, но не такой экстремальной мощности, как у события KM3NeT. Стандартные модели, основанные на частоте событий IceCube, предсказывают, что нейтрино с энергией KM3NeT должно быть крайне маловероятным. Это создает «напряженность» в данных.

Сценарий взрыва ПЧД снимает это противоречие. Горстка нейтрино, пойманных IceCube, может быть результатом более далеких и частых взрывов ПЧД по всей галактике. В то же время, уникальное сверхвысокоэнергетическое нейтрино KM3NeT может быть продуктом единственного, но очень близкого и мощного события в нашей космической окрестности. Таким образом, одна гипотеза объясняет оба набора наблюдений.

Если гипотеза исследователей MIT верна, последствия трудно переоценить. Во-первых, это стало бы первым в истории прямым наблюдением излучения Хокинга, подтвердив одно из самых важных предсказаний теоретической физики о природе черных дыр. Во-вторых, это стало бы мощным свидетельством в пользу того, что первичные черные дыры действительно существуют и составляют основную массу темной материи, решая одну из величайших загадок космологии.

Как отмечает профессор Дэвид Кайзер, это открыло бы возможность использовать весь арсенал современных детекторов для поиска и изучения этих гипотетических взрывов. Для подтверждения этой идеи потребуется зафиксировать больше подобных событий и собрать надежную статистику. Параллельно другие эксперименты по поиску гравитационных эффектов от первичных черных дыр или их взрывов в других диапазонах длин волн могут предоставить дополнительные доказательства.