Пятое измерение как фабрика долгоживущих первичных черных дыр

Группа исследователей под руководством Луиса Анчордоки из колледжа Лемана в США теоретически показала, что первичные черные дыры в сценарии темного измерения неизбежно становятся пятимерными, а часть из них может жить столько же, сколько существует Вселенная. Статья была опубликована в журнале Physical Review D.

Первичные черные дыры это не те объекты, которые появляются на финальной стадии жизни массивных звезд. Они могли сформироваться в первые доли секунды после Большого взрыва, когда плотность и температура материи были колоссальными, а флуктуации плотности достаточно сильными, чтобы в отдельных областях пространства образовались горизонты событий.

Такие объекты называют первичными, и они остаются чисто теоретической конструкцией: астрономы пока не нашли ни одного надежного кандидата. Тем не менее интерес к ним не угасает, потому что они могли бы объяснить часть темной материи, а также стать источником гравитационных волн и других наблюдаемых эффектов. Но самое любопытное начинается, если поместить их не в обычную четырехмерную Вселенную, а в мир с дополнительным пространственным измерением.

Эта идея известна как сценарий темного измерения. Он возник не на пустом месте: его мотивируют так называемые принципы болота, набор теоретических соображений, которые подсказывают, как квантовая гравитация должна ограничивать возможные физические теории. Согласно этому сценарию, наше пространство содержит не три, а четыре пространственных измерения, причем четвертое пространственное измерение очень маленькое — его размер оценивается примерно в один микрон.

Оно не разворачивается в бесконечную даль, как привычные длина, ширина и высота, а остается компактным и скрытым. Обычная материя и известные силы природы не могут в него попасть, они как бы заперты в трех привычных пространственных направлениях. А вот гравитация уникальное взаимодействие, она способна распространяться и в это дополнительное измерение. Именно поэтому темное измерение иногда называют гравитационным: оно невидимо для света и вещества, но гравитационные волны и поля могли бы его чувствовать.

Для первичных черных дыр это обстоятельство имеет огромное значение. Дело в том, что такие дыры могут быть очень маленькими, гораздо меньше микрона, а значит, их размеры сопоставимы с размером самого темного измерения. В такой ситуации черная дыра уже не может считаться чисто четырехмерным объектом: гравитация, которая ее формирует и удерживает, распространяется в пятимерном пространстве-времени, и это меняет всю физику. Возникает вопрос: останутся ли такие объекты привычными четырехмерными или они неизбежно станут пятимерными? Именно его и поставила во главу угла команда Анчордоки.

Исследователи подошли к задаче не с наблюдательной, а с теоретической стороны. Они применили квантово-гравитационные ограничения, те самые правила, которые накладывают запреты на возможные теории, и проверили, что произойдет с первичными черными дырами в рамках сценария темного измерения. При этом авторы рассмотрели не один, а сразу несколько хорошо известных механизмов рождения таких дыр: инфляцию, фазовые переходы и космические струны.

Инфляция — это период сверхбыстрого расширения ранней Вселенной, когда квантовые флуктуации могли растянуться до космологических масштабов и стать зародышами будущих черных дыр. Фазовые переходы это моменты, когда Вселенная меняла свое состояние, например при нарушении симметрий, и сопровождались образованием топологических дефектов. А космические струны это гипотетические одномерные образования, своего рода складки пространства, которые могли тянуться через всю Вселенную и при определенных условиях замыкаться в петли, коллапсирующие в черные дыры.

Когда ученые «прогнали» все эти сценарии через пятимерную теорию, картина оказалась довольно причудливой. Некоторые первичные черные дыры начинали свою жизнь как обычные четырехмерные объекты, но затем становились неустойчивыми и трансформировались в пятимерные. Другие, особенно те, что рождались из космических струн, изначально оказывались пятимерными. Иными словами, дополнительное измерение не просто влияет на них, оно диктует их природу.

Более того, менялась и продолжительность их существования. Черные дыры в четырехмерном мире испаряются за счет излучения Хокинга, и время их жизни зависит от массы: чем меньше дыра, тем быстрее она исчезает. В пятимерном мире законы испарения другие, и авторы показали, что первичные черные дыры, образованные из космических струн, могут иметь продолжительность жизни, сопоставимую с возрастом Вселенной. Это означает, что некоторые из них могли дожить до наших дней и потенциально быть обнаруженными.

Отдельного внимания заслуживает возможная связь с недавним событием. Детектор KM3NeT, расположенный на дне Средиземного моря, зарегистрировал нейтрино с рекордно высокой энергией. Авторы статьи обратили внимание, что эта энергия удивительно близка к пятимерному планковскому масштабу в рамках сценария темного измерения. Планковский масштаб это энергетический предел, на котором квантовые эффекты гравитации становятся существенными. В четырехмерном мире он соответствует огромным энергиям, недостижимым для современных ускорителей и космических процессов. Но если пространство пятимерно, планковский масштаб может оказаться значительно ниже, и тогда высокоэнергетические нейтрино могли бы нести информацию о квантовой гравитации. Пока это лишь интригующее совпадение, а не доказательство, но оно подсказывает, где искать следы темного измерения.

Хотя работа объединяет две большие загадки — первичные черные дыры и темное измерение, реальных доказательств пока нет. Но если хотя бы одна из этих идей подтвердится, это даст важные сведения о физике высоких энергий в ранней Вселенной и, возможно, откроет путь к пониманию того, как гравитация ведет себя за пределами привычных четырех измерений.