Астрономы до сих пор не могут объяснить появление мощной «частицы-призрака»

Физики считают, что им, возможно, удалось выяснить происхождение чрезвычайно мощной, практически необнаружимой частицы, упавшей на Землю, и связать её с финальным взрывом очень маленькой чёрной дыры. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Если они правы, то это единственное событие может дать новое понимание того, что создала Вселенная в самые ранние мгновения после Большого взрыва.

В 2023 году обсерватория KM3NeT зарегистрировала частицу с энергией около 220 ПэВ, что равно квадриллиону электронвольт, под Средиземным морем. Чтобы объяснить этот всплеск, физик Майкл Дж. Бейкер связал рекордную частицу с исчезающей черной дырой, появившейся в первые мгновения существования Вселенной.

В Массачусетском университете в Амхерсте (UMass Amherst) появилась новая идея, указывающая на существование черных дыр, которые могут оставаться спокойными, а затем быстро взрываться. Если эта картина верна, то та же идея должна подходить и для других частиц-призраков, прибывших с гораздо меньшей энергией.

Вспышка произошла от нейтрино — почти безмассовой частицы, которая почти никогда не взаимодействует с материей, и она несла больше энергии, чем любое нейтрино, когда-либо обнаруженное ранее.

Для получения такой экстремальной энергии необходим ускоритель, значительно превосходящий возможности любой лаборатории, поскольку только огромная гравитация или сильные ударные волны могут разогнать частицы с такой силой.

В Большом адронном коллайдере эксперимент FASER измерил нейтрино в диапазоне триллионов электронвольт, что почти в 100 000 раз меньше этого значения.

Немногие известные космические объекты способны испускать нейтрино в таком количестве, что оставляет место для объяснений, начинающихся с первых секунд существования Вселенной.

Глубокая вода обеспечила KM3NeT темный фон, благодаря чему его датчики смогли обнаружить кратковременный свет, испускаемый пролетающим нейтрино.

Когда нейтрино сталкивается с молекулой воды, оно высвобождает заряженную частицу, которая создает черенковское излучение — синий свет в чистой воде.

На своем пути эта заряженная частица оставляла слабое голубое свечение, что позволило ученым восстановить направление и энергию нейтрино.

Поскольку нейтрино проскальзывают почти сквозь всё, каждое обнаружение зависит от удачи, и одно событие не может охватить всю популяцию.

Некоторые физики рассматривают первичные черные дыры, черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, как остаточные объекты, сохранившиеся с первых секунд существования Вселенной.

В отличие от черных дыр, рожденных из умирающих звезд, эти черные дыры могут изначально быть очень маленькими, и в современной Вселенной их масса может привести к их испарению.

В нашей галактике взрывающаяся первичная черная дыра могла бы выбрасывать частицы, в том числе нейтрино, достаточно энергичные, чтобы достичь детекторов.

Однако никто не подтвердил существование таких ранних черных дыр, поэтому любой отдельный кандидат должен пройти множество перекрестных проверок.

Еще в 1970-х годах физики назвали излучение Хокинга — частицы, испускаемые с края черной дыры, — одним из способов, которыми черные дыры «угасают».

Расчеты показывают, что меньшие по размеру черные дыры нагреваются по мере потери массы, что ускоряет этот процесс. Ближе к концу процесс выходит из-под контроля, и последние мгновения могут выглядеть как взрыв, высвобождающий высокоэнергетические нейтрино.

Связь между всплеском нейтрино и испарением предоставила бы доказательства этого эффекта вне рамок математики. 

В своей работе они, в частности, предложили наделить черные дыры скрытым зарядом, который не ведет себя как электричество.

При достаточном заряде черная дыра становилась квазиэкстремальной, почти полностью заряженной и значительно более холодной, поэтому излучение Хокинга замедлялось.

Вместо обычного электричества скрытый заряд оставался в ловушке на протяжении тысячелетий, потому что черная дыра не могла легко его сбросить.

В конечном итоге, накопившееся поле может спровоцировать эффект Швингера, образование пар в интенсивных полях, сброс заряда и взрыв.

За несколько лет до обнаружения KM3NeT, IceCube уже зафиксировал в антарктическом льду нейтрино чрезвычайно высокой энергии, каждое из которых несло более одного квадриллиона электронвольт энергии — величину, намного превышающую возможности созданных человеком ускорителей частиц.

Поскольку квазиэкстремальные черные дыры оставались холодными на протяжении большей части своей жизни, они испускали меньше нейтрино среднего радиуса действия перед своей финальной вспышкой.

Благодаря этому методу подавления шума команда из Массачусетского университета в Амхерсте смогла установить оба детектора одновременно, не прибегая к невыполнимому количеству взрывов.

Тем не менее, эта идея предсказывает, что вспышки должны быть редкими и происходить близко друг к другу, а это значит, что будущие обнаружения должны совпадать по времени и направлению.

При высокоэнергетических взрывах наряду с нейтрино должны испускать гамма-лучи, самую высокоэнергетическую форму света.

Из Китая телескоп LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) сканировал небо за несколько часов до события и не обнаружил необычных вспышек.

Согласно этой идее заряженной черной дыры, окончательное высвобождение энергии произойдет очень быстро, поэтому любая вспышка света появится всего за несколько минут до прибытия частицы.

Если в будущем произойдет аналогичное событие, сопровождающееся вспышкой в этот короткий промежуток времени, это подтвердит теорию, а еще одно спокойное небо затруднит защиту.

Помимо загадки нейтрино, модель нацелена на изучение темной материи — невидимой массы, которая удерживает галактики вместе, скрываясь в черных дырах.

Эта популяция, распространённая по всей Галактике Млечный Путь, располагалась бы достаточно близко друг к другу для периодических вспышек активности, оставаясь при этом скрытой от большинства телескопов.

«Более того, эти черные дыры могут составлять всю наблюдаемую темную материю во Вселенной», — отмечает Бейкер.

Многочисленные измерения уже ограничивают количество существующих первичных черных дыр, поэтому допустимый диапазон очень узок.

Дополнительные данные, полученные с помощью KM3NeT и IceCube, позволят проверить, продолжают ли редкие, расположенные поблизости вспышки демонстрировать один и тот же энергетический паттерн.

Более точная синхронизация между отслеживанием нейтринных треков и поиском гамма-излучения в данных LHAASO определит, насколько далеко сможет продвинуться эта идея о черной дыре.