Мы недавно видели взрыв черной дыры? Физики считают, что да — и это может объяснить (почти) все

В 2023 году субатомная частица, называемая нейтрино, столкнулась с Землей с такой высокой энергией, что это казалось невозможным. Нигде во Вселенной не известно ни одного источника, способного произвести такую энергию — в десятки тысяч раз превышающую энергию самой высокоэнергетической частицы, когда-либо произведенной Большим адронным коллайдером, самым мощным ускорителем частиц в мире. Однако группа физиков из Массачусетского университета в Амхерсте недавно выдвинула гипотезу, что нечто подобное может произойти при взрыве особого вида черной дыры, называемой «квазиэкстремальной первичной черной дырой».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, команда не только объясняет существование «невозможного» нейтрино, но и показывает, что эта элементарная частица может раскрыть фундаментальную природу Вселенной.

От коллапса звезд до ранней Вселенной

Черные дыры существуют, и мы хорошо понимаем их жизненный цикл: старая, большая звезда исчерпывает свое топливо, взрывается в виде мощнейшей сверхновой и оставляет после себя область пространства-времени с такой интенсивной гравитацией, что ничто, даже свет, не может из нее вырваться. Эти черные дыры невероятно тяжелые и по сути стабильны.

Но, как указал физик Стивен Хокинг в 1970 году, другой вид черных дыр — первичные черные дыры (ПЧД) — могут образовываться не в результате коллапса звезды, а из первичных условий Вселенной вскоре после Большого взрыва.

ПЧД пока существуют только в теории и, как и стандартные черные дыры, настолько плотные, что почти ничто не может из них вырваться — именно это делает их «черными». Однако, несмотря на свою плотность, ПЧД могут быть намного легче черных дыр, которые мы наблюдали до сих пор. Кроме того, Хокинг показал, что ПЧД могут медленно испускать частицы через то, что сейчас известно как «излучение Хокинга», если они нагреваются достаточно сильно.

Как испаряющиеся черные дыры могут взрываться

«Чем легче черная дыра, тем она должна быть горячее и тем больше частиц она будет испускать», — говорит Андреа Таме, соавтор нового исследования и доцент кафедры физики в Университете Массачусетса в Амхерсте. «По мере испарения ПЧД становятся все легче и, следовательно, горячее, испуская еще больше излучения в процессе, который ускоряется до взрыва. Именно это излучение Хокинга могут обнаружить наши телескопы».

Если бы такой взрыв был наблюдаем, он дал бы нам окончательный каталог всех существующих субатомных частиц, включая те, которые мы наблюдали, такие как электроны, кварки и бозоны Хиггса, ите, о которых мы только гипотезировали, такие как частицы темной материи, а также все остальное, что до сих пор совершенно неизвестно науке. Исследователи ранее показали, что такие взрывы могут происходить с удивительной частотой — примерно каждые десять лет — и, если мы будем внимательно наблюдать, наши современные инструменты для наблюдения космоса смогут регистрировать эти взрывы.

Пока что это только теоретически.

Появление «невозможного» нейтрино

Затем, в 2023 году, в ходе эксперимента под названием KM3NeT Collaboration был зафиксирован сигнал-кандидат на нейтрино сверхвысоких энергий — именно тот вид доказательства, который, по гипотезе команды физиков, мы могли бы увидеть в ближайшем будущем.

Но была одна загвоздка: аналогичный эксперимент под названием IceCube, также предназначенный для регистрации высокоэнергетических космических нейтрино, не только не зафиксировал это событие, но и никогда не регистрировал ничего, даже сотой доли его мощности. Детектор нейтрино IceCube по сравнению с Эйфелевой башней:

Если во Вселенной относительно много ПЧД и они часто взрываются, разве мы не должны быть засыпаны высокоэнергетическими нейтрино? Чем можно объяснить это несоответствие?

Объяснение «темного заряда»

«Мы считаем, что ПЧД с «темным зарядом» — то, что мы называем квазиэкстремальными ПЧД — являются недостающим звеном», — говорит Хоаким Игуаз Хуан, постдокторский исследователь в области физики в Университете Массачусетса в Амхерсте и один из соавторов статьи.

Темный заряд — это, по сути, копия обычной электрической силы, как мы ее знаем, но включающая в себя очень тяжелую гипотетическую версию электрона, которую команда называет «темным электроном».

«Существуют и другие, более простые модели ПЧД», — говорит Майкл Бейкер, соавтор и доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте; «наша модель темного заряда более сложна, а это значит, что она может дать более точную модель реальности. Самое интересное, что наша модель объясняет феномен, который иначе оставался бы необъяснимым».

«ПЧД с темным зарядом, — добавляет Таме, — обладает уникальными свойствами и ведет себя иначе, чем другие, более простые модели ПЧД. Мы показали, что это может дать объяснение всем, казалось бы, несовместимым экспериментальным данным».

Связь нейтрино с темной материей

Команда уверена, что их модель ПЧД с темным зарядом не только может объяснить нейтрино, но и разгадать тайну темной материи. «Наблюдения галактик и космического микроволнового фона указывают на существование некой темной материи», — говорит Бейкер.

«Если наша гипотеза о темном заряде верна, — добавляет Игуаз Хуан, — то мы полагаем, что может существовать значительная популяция ПЧД, что будет согласовываться с другими астрофизическими наблюдениями и объяснять всю недостающую темную материю во Вселенной».

«Наблюдение высокоэнергетического нейтрино было невероятным событием, — заключает Бейкер. — Оно открыло нам новое окно во Вселенную. Но теперь мы можем быть на пороге экспериментального подтверждения излучения Хокинга, получения доказательств существования как первичных черных дыр, так и новых частиц за пределами Стандартной модели, а также объяснения тайны темной материи».

Исследование: Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasi-extremal primordial black holes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r793-p7ct