Фізики припустили, що зафіксували вибух чорної діри

На їхню думку, саме цією подією можна пояснити появу "неможливого" нейтрино надвисокої енергії, зареєстрованого на Землі 2023 року, а також пролити світло на фундаментальні властивості Всесвіту - від випромінювання Гокінга до природи темної матерії.

Йдеться про нейтрино з енергією, що перевищує показники Великого адронного колайдера приблизно в 100 тисяч разів. Досі в астрофізиці не існувало жодного відомого джерела, здатного породити частинку з такими характеристиками.

У новій роботі, опублікованій у Physical Review Letters, дослідники припустили, що частинка могла виникнути внаслідок вибуху так званої квазіекстремальної первинної чорної діри - гіпотетичного об'єкта, що сформувався незабаром після Великого вибуху.

Не всі чорні діри однакові

Звичайні чорні діри виникають після колапсу масивних зірок і вирізняються колосальною масою та стійкістю. Однак ще в 1970-х роках Стівен Гокінг припустив існування первинних чорних дір, які могли з'явитися в ранньому Всесвіті через щільнісні флуктуації.

Такі об'єкти, якщо вони існують, можуть бути значно легшими за зоряні чорні діри. Згідно з теорією Гокінга, вони здатні повільно втрачати масу, випускаючи частинки - процес, відомий як випромінювання Гокінга. У міру "випаровування" такі чорні діри стають дедалі гарячішими, що в кінцевому підсумку може призвести до вибухового вивільнення енергії.

"Що менша чорна діра, то вища її температура і тим інтенсивніше випромінювання, - пояснює фізик Андреа Тамм, співавтор дослідження. - У разі первинних чорних дір цей процес може перейти в неконтрольовану фазу, що завершується вибухом, який ми потенційно можемо спостерігати".

Загадкове нейтрино і протиріччя в спостереженнях

У 2023 році нейтринний детектор KM3NeT зафіксував частинку з рекордною енергією. Однак інший великий експеримент - IceCube - не тільки не зареєстрував цю подію, а й ніколи не спостерігав нейтрино з порівнянною енергією.

Ця розбіжність поставила вчених у глухий кут: якщо первинні чорні діри дійсно вибухають часто, чому такі сигнали не фіксуються регулярно?

"Темний заряд" як відсутня ланка

Дослідники запропонували пояснення, що ґрунтується на складнішій моделі первинних чорних дір - із так званим темним зарядом. Цей гіпотетичний заряд є аналогом електромагнетизму, але діє в "темному секторі" фізики і пов'язаний з поки що не виявленими частинками, включно з "темним електроном".

"Квазіекстремальні первинні чорні діри з темним зарядом поводяться інакше, ніж простіші моделі, - пояснює фізик Хоакім Ігуас Хуан. - Саме такі об'єкти можуть пояснити, чому один експеримент побачив нейтрино, а інший - ні".

За словами авторів, їхня модель узгоджується з усіма наявними спостережними даними та усуває протиріччя між різними нейтринними детекторами.

Зв'язок із темною матерією і новою фізикою

Вчені вважають, що запропонована теорія може мати значно ширші наслідки. Якщо темний заряд дійсно існує, то популяція первинних чорних дір може бути значно більшою, ніж вважалося раніше, і саме вони здатні пояснити всю темну матерію у Всесвіті.

Крім того, підтвердження такого сценарію означало б експериментальне спостереження випромінювання Гокінга і вказало б на існування нових частинок за межами Стандартної моделі фізики.

"Реєстрація цього нейтрино відкрила для нас нове вікно у Всесвіт, - зазначає Майкл Бейкер, співавтор дослідження. - Ми можемо бути на порозі підтвердження одразу кількох фундаментальних теорій, які десятиліттями залишалися суто гіпотетичними".