Первичная черная дыра

редактировать
Гипотетический тип черной дыры

Первобытные черные дыры - это гипотетический тип черной дыры образовавшиеся вскоре после Большого взрыва. В ранней Вселенной высокая плотность и неоднородные условия могли привести к тому, что достаточно плотные области подверглись гравитационному коллапсу, образуя черные дыры. Яков Борисович Зельдович и Игорь Дмитриевич Новиков в 1966 году впервые высказали предположение о существовании таких черных дыр. Теория, лежащая в основе их происхождения, была впервые подробно изучена Стивеном Хокингом в 1971 году. Поскольку изначальные черные дыры не образовались в результате звездного гравитационного коллапса, их массы могут быть намного ниже звездной массы (c. 4 × 10 кг). Хокинг подсчитал, что изначальные черные дыры могут весить всего 10 кг.

Содержание

  • 1 Теоретическая история
  • 2 Формирование
  • 3 Пределы наблюдений и стратегии обнаружения
  • 4 Последствия
  • 5 Теория струн
  • 6 Ссылки

Теоретическая история

В зависимости от модели, изначальные черные дыры могут иметь начальную массу от 10 кг (так называемые реликвии Планка) до более тысячи солнечных масс. Однако первичные черные дыры, изначально имеющие массу менее 10 кг, не дожили бы до настоящего времени из-за излучения Хокинга, которое вызывает полное испарение за время, намного меньшее, чем возраст Вселенной. Первичные черные дыры не являются барионными и поэтому являются вероятными кандидатами в темную материю. Первичные черные дыры также являются хорошими кандидатами на роль зародышей сверхмассивных черных дыр в центре массивных галактик, а также черных дыр промежуточных масс.

Первичные черные дыры относятся к класс массивных компактных гало-объектов (МАЧО). Они, естественно, являются хорошими кандидатами на темную материю: они (почти) без столкновений и стабильны (если достаточно массивны), у них нерелятивистские скорости, и они формируются очень рано в истории Вселенной (обычно менее чем через одну секунду после Большой взрыв ). Тем не менее, из различных астрофизических и космологических наблюдений были установлены жесткие ограничения на их численность, так что теперь исключено, что они вносят значительный вклад в темную материю в большей части вероятного диапазона масс.

В марте 2016 года, через месяц после объявления об обнаружении Advanced LIGO / VIRGO гравитационных волн, излучаемых слиянием двух черных дыр массой 30 солнечных масс ( около 6 × 10 кг) три группы исследователей независимо друг от друга предположили, что обнаруженные черные дыры имеют изначальное происхождение. Две группы обнаружили, что скорость слияния, полученная с помощью LIGO, согласуется со сценарием, в котором вся темная материя состоит из первичных черных дыр, если значимая их часть каким-то образом сгруппирована внутри гало, таких как тусклый карлик. галактики или шаровые скопления, как и ожидается в соответствии со стандартной теорией образования космической структуры. Третья группа утверждала, что эти скорости слияния несовместимы со сценарием, основанным на полной темной материи, и что первичные черные дыры могут составлять менее одного процента от общей темной материи. Неожиданно большая масса черных дыр, обнаруженная LIGO, сильно возродила интерес к первичным черным дырам с массами в диапазоне от 1 до 100 масс Солнца. Однако все еще обсуждается, исключается ли этот диапазон другими наблюдениями, такими как отсутствие микролинзирования звезд, анизотропия космического микроволнового фона, размер слабых карликовых галактик и отсутствие корреляция рентгеновских и радиоисточников в сторону центра Галактики.

В мае 2016 года Александр Кашлинский предположил, что наблюдаемые пространственные корреляции в неразрешенных гамма-лучах и рентгеновских лучах могут быть связаны с первичными черными дырами с аналогичными массами., если их количество сравнимо с количеством темной материи.

В апреле 2019 года было опубликовано исследование, предполагающее, что эта гипотеза может оказаться тупиковой. Международная группа исследователей подвергла теорию, выдвинутую покойным Стивеном Хокингом, самой строгой на сегодняшний день проверкой, и их результаты исключили возможность того, что первичные черные дыры размером менее одной десятой миллиметра (7 × 10 кг) составляют большая часть темной материи.

В августе 2019 года было опубликовано исследование, открывающее возможность составления всей темной материи из первичных черных дыр с массой астероида (3,5 × 10 - 4 × 10 солнечных масс, или 7,0 × 10-8 × 10 кг).

В сентябре 2019 года в отчете Джеймса Анвина и Якуба Шольца была высказана мысль о возможности возникновения первичной черной дыры (PBH) размером с теннисный мяч, существующей в расширенном Пояс Койпера для объяснения орбитальных аномалий, которые теоретически являются результатом 9-й планеты в Солнечной системе.

Формирование

Изначальные черные дыры могли иметь сформировались в очень ранней Вселенной (менее чем через одну секунду после Большого взрыва), в так называемую эру доминирования излучения. Существенным ингредиентом образования первичной черной дыры является колебание плотности Вселенной, вызывающее ее гравитационный коллапс. Обычно требуется контраст плотности δ ρ / ρ ∼ 0.1 {\ displaystyle \ delta \ rho / \ rho \ sim 0.1}{\ displaystyle \ delta \ rho / \ rho \ sim 0.1} (где ρ {\ displaystyle \ rho}\ rho - плотность Вселенной), чтобы образовалась черная дыра. Существует несколько механизмов, способных создавать такие неоднородности в контексте космической инфляции (в гибридных моделях инфляции, например, аксионная инфляция), повторного нагрева или космологических фазовых переходов.

Пределы наблюдений и стратегии обнаружения

Разнообразные наблюдения были интерпретированы, чтобы установить ограничения на количество и массу первичных черных дыр:

  • Продолжительность жизни, излучение Хокинга и гамма-лучи: один способ обнаружить первичные черные дыры или ограничить их массу и численность - это их излучение Хокинга. Стивен Хокинг в 1974 г. предположил, что большое количество таких меньших по размеру первичных черных дыр может существовать в Млечном Пути в гало нашей галактики область. Теоретически все черные дыры испускают излучение Хокинга со скоростью, обратно пропорциональной их массе. Поскольку это излучение еще больше уменьшает их массу, черные дыры с очень малой массой испытают безудержное испарение, создавая всплеск излучения на последней стадии, эквивалентный водородной бомбе, дающей миллионы мегатонн взрывной силы. Обычная черная дыра (около 3 солнечных масс ) не может потерять всю свою массу в пределах нынешнего возраста Вселенной (для этого потребуется около 10 лет, даже если в нее не упадет какая-либо материя). Однако, поскольку первичные черные дыры не образуются в результате коллапса ядра звезды, они могут быть любого размера. Черная дыра с массой около 10 кг будет иметь время жизни, примерно равное возрасту Вселенной. Если бы такие маломассивные черные дыры были созданы в достаточном количестве во время Большого взрыва, мы могли бы наблюдать взрывы некоторых из тех, что находятся относительно близко в нашей собственной Млечный Путь галактика. Спутник НАСА космического гамма-телескопа Ферми, запущенный в июне 2008 года, был отчасти разработан для поиска таких испаряющихся первичных черных дыр. Данные Ферми устанавливают предел, согласно которому менее одного процента темной материи может состоять из первичных черных дыр с массой до 10 кг. Испарение первичных черных дыр также повлияло бы на нуклеосинтез Большого взрыва и изменило бы содержание легких элементов во Вселенной. Однако, если теоретическое излучение Хокинга на самом деле не существует, такие первичные черные дыры было бы чрезвычайно трудно, если не невозможно, обнаружить в космосе из-за их небольшого размера и отсутствия большого гравитационного воздействия.
  • Гамма- лучевые всплески: компактные объекты могут вызывать изменение светимости гамма-всплесков при прохождении близко к их прямой видимости за счет эффекта гравитационного линзирования. Эксперимент Fermi Gamma-Ray Burst Monitor показал, что первичные черные дыры не могут вносить существенный вклад в темную материю в диапазоне масс 5 x 10 - 10 кг. Однако повторный анализ снял этот предел после должного учета протяженности источника, а также эффектов волновой оптики.
  • Захват первичных черных дыр нейтронными звездами: если первичные черные дыры с массами от 10 до 10 кг имели содержание, сравнимое с содержанием темной материи, нейтронные звезды в шаровых скоплениях должны были захватить некоторые из них, что привело бы к быстрому разрушению звезды. Таким образом, наблюдение нейтронных звезд в шаровых скоплениях может быть использовано для установления предела численности первичных черных дыр. Однако подробное изучение динамики захвата поставило под сомнение этот предел и привело к его устранению.
  • Выживание белых карликов: если первичная черная дыра проходит через белый карлик с C / O, она может воспламенить углерод и впоследствии произвести неконтролируемый взрыв. Таким образом, наблюдаемое распределение масс белых карликов может ограничить количество первичных черных дыр. Изначальные черные дыры в диапазоне ~ 10 - 10 кг были исключены как доминирующий компонент локальной плотности темной материи. Более того, убегающий взрыв можно рассматривать как сверхновую типа Ia. Первичные черные дыры в диапазоне масс 10–10 кг ограничены наблюдаемой скоростью сверхновых, хотя эти границы подвержены астрофизическим неопределенностям. Подробное исследование с гидродинамическим моделированием поставило под сомнение эти ограничения и привело к открытию этих диапазонов масс.
  • Микролинзирование звезд: если первичная черная дыра проходит между нами и далекой звездой, это вызывает увеличение этих звезд из-за эффекта гравитационного линзирования. Наблюдая за величиной звезд в Магеллановых облаках, обзоры EROS и MACHO установили ограничение на количество первичных черных дыр в диапазоне 10-10 кг. Наблюдая звезды в галактике Андромеды (M31), Subaru / HSC установили ограничение на количество первичных черных дыр в диапазоне 10–10 кг. Согласно этим обзорам, первичные черные дыры в этом диапазоне не могут составлять важную часть темной материи. Однако эти ограничения зависят от модели. Также утверждалось, что если первичные черные дыры перегруппированы в плотные гало, ограничения микролинзирования естественным образом исчезают. Метод микролинзирования страдает от эффекта источника конечного размера и дифракции при исследовании первичных черных дыр с меньшими массами. Законы масштабирования были выведены, чтобы продемонстрировать, что оптическое микролинзирование вряд ли ограничит количество первичных черных дыр с массой ниже ~ 10 кг в обозримом будущем.
  • Микролинзирование сверхновых звезд Ia: первичные черные дыры с массы более 10 кг увеличивали бы далекие сверхновые типа Ia (или любую другую стандартную свечу известной светимости) из-за гравитационного линзирования. Эти эффекты были бы очевидны, если бы первичные черные дыры вносили значительный вклад в плотность темной материи, которая ограничивается текущими наборами данных.
  • Анизотропия температуры в космическом микроволновом фоне: аккреция вещества на первичные черные дыры в ранняя Вселенная должна привести к инжекции энергии в среду, которая влияет на рекомбинационную историю Вселенной. Этот эффект вызывает характерные черты в статистическом распределении анизотропии космического микроволнового фона (CMB). Наблюдения CMB Planck исключают, что первичные черные дыры с массами в диапазоне 100-10 солнечных масс вносят важный вклад в темную материю, по крайней мере, в простейшей консервативной модели. До сих пор ведутся споры о том, являются ли ограничения сильнее или слабее в более реалистичных или сложных сценариях.

Во время обнаружения LIGO гравитационных волн, испускаемых во время окончательного слияния двух черных дыр массой 30 солнечных масс, диапазон масс между 10 и 100 солнечных масс все еще плохо ограничивались. С тех пор заявлено, что новые наблюдения закрывают это окно, по крайней мере для моделей, в которых первичные черные дыры имеют одинаковую массу:

  • из-за отсутствия рентгеновских и оптических корреляций в точечных источниках, наблюдаемых в направлении центр галактики.
  • из динамического нагрева карликовых галактик
  • из наблюдения центрального звездного скопления в карликовой галактике Эридан II (но эти ограничения можно ослабить если Эридан II владеет центральной черной дырой промежуточной массы, о чем свидетельствуют некоторые наблюдения). Если первичные черные дыры демонстрируют широкое распределение масс, эти ограничения все же можно обойти.
  • от гравитационного микролинзирования далеких квазаров более близкими галактиками, что позволяет только 20% галактической материи находиться в форме компактных объектов со звездными массами, что соответствует ожидаемому звездному населению.
  • на основе микролинзирования далеких звезд скоплениями галактик, что позволяет предположить, что доля темной материи в форме первичных черных дыр с массами сопоставима к найденным LIGO, должно быть менее 10%.

В будущем будут установлены новые пределы с помощью различных наблюдений:

  • Радиотелескоп Square Kilometer Array (SKA) будет зондировать влияние первичных черных дыр на реионизацию истории Вселенной из-за инжекции энергии в межгалактическую среду, вызванной аккрецией вещества на первичные черные дыры.
  • LIGO, VIRGO и будущие гравитационные волны детекторы обнаружат новую черную дыру m происходящие события, по которым можно было восстановить распределение масс первичных черных дыр. Эти детекторы могут позволить однозначно различать изначальное и звездное происхождение, если будут обнаружены события слияния с участием черных дыр с массой ниже 1,4 массы Солнца. Другой способ - измерить большой эксцентриситет орбиты первичных двойных черных дыр.
  • Детекторы гравитационных волн, такие как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) и массивы синхронизации пульсаров также будет исследовать стохастический фон гравитационных волн, излучаемых первичными двойными черными дырами, когда они все еще вращаются относительно далеко друг от друга.
  • Новые обнаружения слабых карликовых галактик и наблюдения их центрального звездного скопления, может быть использован для проверки гипотезы о том, что эти структуры, в которых преобладает темная материя, содержат в изобилии первичные черные дыры.
  • Мониторинг положения и скорости звезд в Млечном Пути может быть использован для обнаружения влияния ближайшей первичной черной дыры.
  • Было высказано предположение, что небольшая черная дыра, проходящая через Землю, будет производить обнаруживаемый акустический сигнал. Из-за своего крошечного диаметра, большой массы по сравнению с нуклоном и относительно высокой скорости такие первичные черные дыры просто беспрепятственно пересекли бы Землю с помощью лишь нескольких ударов по нуклонам, покидая планету без каких-либо вредных последствий.
  • Еще один способ обнаружить первичные черные дыры - это наблюдать за рябью на поверхности звезд. Если черная дыра пройдет через звезду, ее плотность вызовет наблюдаемые колебания.
  • Мониторинг квазаров в диапазоне длин волн микроволн и обнаружение с помощью первичных черных дыр особенности волновой оптики гравитационного микролинзирования.

Последствия

Испарение первичных черных дыр было предложено в качестве одного из возможных объяснений гамма-всплесков. Однако такое объяснение считается маловероятным. Другие проблемы, для решения которых были предложены первичные черные дыры, включают проблему темной материи, проблему космологической доменной стенки и проблему космологического монополя. Поскольку первичные черные дыры не обязательно должны быть маленькими (они могут иметь любой размер), они могли способствовать более позднему формированию галактик.

. Даже если они не решают эти проблемы, небольшое количество первичных черных дыр дыры (по состоянию на 2010 год подтверждены только две черные дыры промежуточной массы ) помогает космологам, накладывая ограничения на спектр флуктуаций плотности в ранней Вселенной.

Теория струн

Общая теория относительности предсказывает, что мельчайшие первичные черные дыры уже испарились бы, но если бы было четвертое пространственное измерение - как предсказывает струна теория - это повлияет на то, как гравитация действует в малых масштабах, и «существенно замедлит испарение». Это может означать, что в нашей галактике несколько тысяч черных дыр. Чтобы проверить эту теорию, ученые будут использовать космический гамма-телескоп Ферми, который был выведен на орбиту НАСА 11 июня 2008 года. Если они наблюдают определенные небольшие интерференционные картины в пределах гамма-всплески, это могло быть первым косвенным свидетельством изначальных черных дыр и теории струн.

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-02 06:06:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте