Физики предположили, что зафиксировали взрыв чёрной дыры

По их мнению, именно этим событием можно объяснить появление «невозможного» нейтрино сверхвысокой энергии, зарегистрированного на Земле в 2023 году, а также пролить свет на фундаментальные свойства Вселенной — от излучения Хокинга до природы тёмной материи.

Речь идёт о нейтрино с энергией, превышающей показатели Большого адронного коллайдера примерно в 100 тысяч раз. До сих пор в астрофизике не существовало ни одного известного источника, способного породить частицу с такими характеристиками.

В новой работе, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи предположили, что частица могла возникнуть в результате взрыва так называемой квазиэкстремальной первичной чёрной дыры — гипотетического объекта, сформировавшегося вскоре после Большого взрыва.

Не все чёрные дыры одинаковы

Обычные чёрные дыры возникают после коллапса массивных звёзд и отличаются колоссальной массой и устойчивостью. Однако ещё в 1970-х годах Стивен Хокинг предположил существование первичных чёрных дыр, которые могли появиться в ранней Вселенной из-за плотностных флуктуаций.

Такие объекты, если они существуют, могут быть значительно легче звёздных чёрных дыр. Согласно теории Хокинга, они способны медленно терять массу, испуская частицы — процесс, известный как излучение Хокинга. По мере «испарения» такие чёрные дыры становятся всё горячее, что в конечном итоге может привести к взрывному высвобождению энергии.

«Чем меньше чёрная дыра, тем выше её температура и тем интенсивнее излучение, — поясняет физик Андреа Тамм, соавтор исследования. — В случае первичных чёрных дыр этот процесс может перейти в неконтролируемую фазу, завершающуюся взрывом, который мы потенциально можем наблюдать».

Загадочный нейтрино и противоречия в наблюдениях

В 2023 году нейтринный детектор KM3NeT зафиксировал частицу с рекордной энергией. Однако другой крупный эксперимент — IceCube — не только не зарегистрировал это событие, но и никогда не наблюдал нейтрино с сопоставимой энергией.

Это расхождение поставило учёных в тупик: если первичные чёрные дыры действительно взрываются часто, почему подобные сигналы не фиксируются регулярно?

«Тёмный заряд» как недостающее звено

Исследователи предложили объяснение, основанное на более сложной модели первичных чёрных дыр — с так называемым тёмным зарядом. Этот гипотетический заряд является аналогом электромагнетизма, но действует в «тёмном секторе» физики и связан с пока не обнаруженными частицами, включая «тёмный электрон».

«Квазиэкстремальные первичные чёрные дыры с тёмным зарядом ведут себя иначе, чем более простые модели, — объясняет физик Хоаким Игуаc Хуан. — Именно такие объекты могут объяснить, почему один эксперимент увидел нейтрино, а другой — нет».

По словам авторов, их модель согласуется со всеми имеющимися наблюдательными данными и устраняет противоречия между разными нейтринными детекторами.

Связь с тёмной материей и новой физикой

Учёные считают, что предложенная теория может иметь куда более широкие последствия. Если тёмный заряд действительно существует, то популяция первичных чёрных дыр может быть значительно больше, чем считалось ранее, и именно они способны объяснить всю тёмную материю во Вселенной.

Кроме того, подтверждение такого сценария означало бы экспериментальное наблюдение излучения Хокинга и указало бы на существование новых частиц за пределами Стандартной модели физики.

«Регистрация этого нейтрино открыла для нас новое окно во Вселенную, — отмечает Майкл Бейкер, соавтор исследования. — Мы можем быть на пороге подтверждения сразу нескольких фундаментальных теорий, которые десятилетиями оставались чисто гипотетическими».