Маленькие черные дыры могут скрываться в планетах или даже в камнях на Земле

Первичные черные дыры, которые в течение десятилетий считались потенциальной формой темной материи, никогда не наблюдались напрямую. Новое исследование, проведенное учеными из Университета в Буффало, предполагает, что их существование может быть подтверждено как большими, так и малыми сигнатурами — полыми планетоидами в космосе и микроскопическими туннелями в обычных материалах, которые можно найти на Земле, например, в камнях, металле и стекле.

Исследование предполагает, что первичная черная дыра, запертая внутри большого скалистого объекта в космосе, может выдолбить его ядро. В качестве альтернативы, более легкая первичная черная дыра может создать микроскопические туннели в твердых материалах, таких как камни, металл и стекло, которые можно будет обнаружить на Земле.

Хотя шансы найти эти сигнатуры невелики, их поиск потребует минимальных ресурсов. Однако потенциальная выгода может быть огромной, предоставив первое доказательство существования первичной черной дыры.

Соавтор исследования Деян Стойкович, профессор физики, сказал: «Нам приходится мыслить нестандартно, поскольку все, что было сделано для поиска первичных черных дыр ранее, не сработало».

Исследование рассчитало максимальный размер полого планетоида, которого он может достичь без коллапса, и оценило вероятность прохождения первичной черной дыры через объект на Земле. Однако нет необходимости беспокоиться о том, что такое событие будет фатальным, поскольку исследование пришло к выводу, что прохождение черной дыры через человека не причинит вреда.

Поскольку Вселенная быстро расширялась после Большого взрыва, некоторые области пространства могли быть плотнее, чем их окружение, что привело к коллапсу этих областей и образованию первичных черных дыр (ПЧД). Хотя ПЧД имели бы гораздо меньшую массу, чем черные дыры, образованные из умирающих звезд, они все равно были бы очень плотными, с массой горы, сжатой в область размером с атом.

Деян Стойкович, который ранее предлагал возможные места для теоретических червоточин, задался вопросом, могла ли ПЧД оказаться запертой внутри планеты, спутника или астероида во время или после их формирования.

«Если объект имеет жидкое центральное ядро, то захваченная ПЧД может поглотить жидкое ядро, плотность которого выше плотности внешнего твердого слоя», — говорит Деян Стойкович.

Исследователи рассмотрели, будет ли полый объект, созданный первичной черной дырой, достаточно прочным, чтобы поддерживать себя, или он разрушится под собственным весом. Они подсчитали, что такой полый объект не может превышать в размере одну десятую радиуса Земли, сравнив прочность таких материалов, как гранит и железо, с поверхностным натяжением и плотностью.

Более крупные объекты, скорее всего, разрушились бы. Однако эти полые объекты можно обнаружить с помощью телескопов. Изучая орбиту объекта, ученые могут определить его массу и плотность. Если плотность объекта слишком мала для его размера, это может указывать на то, что он полый.

Исследование предполагает, что первичные черные дыры могут проходить сквозь объекты без ядра и оставлять за собой прямой туннель. Например, ПЧД с массой 10²² граммов создаст туннель толщиной всего 0,1 микрона.

Большая плита металла или другого материала могла бы действовать как эффективный детектор черной дыры, отслеживая внезапное появление таких туннелей. Однако ученые рекомендуют искать существующие туннели в очень старых материалах — например, в зданиях возрастом в сотни лет или в камнях возрастом в миллиарды лет — для повышения шансов на обнаружение.

При этом даже если темная материя состоит из первичных черных дыр (ПЧД), вероятность прохождения ПЧД через валун возрастом миллиард лет крайне мала и составляет 0,000001.

Ученые подчеркивают баланс затрат и выгод, отмечая, что поиск таких событий требует небольших инвестиций. Вероятность того, что ПЧД пройдет через человека в течение его жизни, крайне мала, и даже если это произойдет, это не нанесет заметного вреда.

Человеческая ткань имеет достаточно натяжения, чтобы не быть разорванной ПЧД. Хотя кинетическая энергия их огромна, она не высвободит много энергии во время столкновения, поскольку движется очень быстро.

«Если снаряд движется через среду быстрее скорости звука, молекулярная структура среды не успевает отреагировать. Бросьте камень в окно — оно, скорее всего, разобьется. Выстрелите в окно из пистолета — и выстрел, скорее всего, оставит дыру», — говорит Деян Стойкович.

Ученые говорят, что теоретические исследования, подобные этому, необходимы. Они указывают, что многие физические концепции, которые когда-то считались неправдоподобными, теперь считаются вероятными и добавляют, что в настоящее время эта область сталкивается с серьезными проблемами, такими как тайна темной материи.

Исследователи подчеркивают, что последние крупные прорывы в физике — квантовая механика и общая теория относительности — произошли уже столетие назад, что подчеркивает необходимость новых достижений для решения многих нерешенных проблем.

«Самые умные люди на планете работают над этими проблемами уже 80 лет и до сих пор не решили их. Нам не нужно прямолинейное расширение существующих моделей. Вероятно, нам нужна совершенно новая структура», — сказал Деян Стойкович.