Исследование показывает, что небольшие первозданные черные дыры могут скрываться внутри таких объектов, как планетарные тела и астероиды. Согласно полученным результатам, если в ядре есть жидкость, черная дыра «высасывает» ее, оставляя пустоту. Эти маленькие черные дыры могут также выбрасываться (после столкновения), оставляя следы своего пролета, которые можно обнаружить с помощью существующих методов.
Самые маленькие обычные черные дыры образуются в результате коллапса звезд, чья масса по меньшей мере в 8 раз превышает массу Солнца — минимум, необходимый для того, чтобы вызвать гравитационный коллапс, достаточно большой для образования черной дыры. Более легкие звезды в конце своей жизни становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами.
Однако было высказано предположение, что особые условия ранней Вселенной могли привести к образованию гораздо меньших черных дыр с массой от нескольких граммов до массы астероида или планетарного тела. Впервые предсказанные в 1966 году российскими физиками Игорем Д. Новиковым и Яковом Зельдовичем, эти гипотетические первозданные черные дыры (ПЧД) должны были образоваться в результате гравитационного коллапса очагов сверхплотной материи во время инфляционного периода Вселенной.
Работа Стивена Хокинга над ПЧД также привела к революционному открытию, что черные дыры могут испаряться с течением времени благодаря явлению, известному как излучение Хокинга. В то время как большим черным дырам и тем, что находятся между ними, потребуется очень много времени, чтобы испариться, ПЧД исчезнут гораздо быстрее.
Однако, несмотря на несколько десятилетий исследований, ни одна ПЧД не была обнаружена. Их обнаружение помогло бы решить некоторые из величайших загадок Вселенной. В частности, они были предложены в качестве кандидатов на темную материю или в качестве источника первобытных гравитационных волн (наблюдаемых в космологическом фоне и присутствующих в самые первые моменты Большого взрыва). Они также могут пролить свет на некоторые космологические проблемы, такие как магнитные монополи.
Малые черные дыры «засасывают» жидкие ядра планет и астероидов?
Недавние исследования позволили предположить, что небольшие ПЧД (с массой от 1017 до 1024 граммов) могут присутствовать внутри звезд главной последовательности (с массой, сравнимой с массой Солнца), нейтронных звезд и карликовых звезд. Они могли быть либо захвачены этими звездами, либо застрять в них во время формирования. Затем газ внутри этих звезд мог быть медленно поглощен их внутренней ПЧД.
Научный дуэт из Национального университета Донг Хва (Тайвань) и Западного резервного университета Кейса (Кливленд) предлагает расширить эту гипотезу, предположив, что небольшие ПЧД могут быть заперты внутри планетарных тел и астероидов. Если эти объекты имеют жидкое ядро, окруженное твердым внешним слоем, то ПЧД будет поглощать это ядро. Если внешняя кора достаточно твердая, то в результате этого процесса останется полая структура.
Образование впадины в планете или астероиде с помощью небольшой ПЧД (A) Планета образуется вокруг небольшой ПЧД (или планета захватывает черную дыру в своем центре). (B) Центральное ядро медленно поглощается черной дырой. Если внешняя оболочка обладает достаточно большой прочностью на сжатие, то в результате может получиться полый объект. (C) Если жидкое ядро станет твердым до того, как его полностью поглотит черная дыра, то между внешним слоем и центральным ядром останется пустая оболочка.
«Если астероид, спутник или малая планета (планетоид) имеет жидкое ядро, окруженное твердой корой, то небольшая ПЧД сравнительно быстро (за несколько недель или месяцев) поглотит плотное жидкое ядро», — объясняют исследователи в журнале Universe Today. Дыры также могут образоваться после выброса черной дыры в результате столкновения планеты или астероида с другим объектом. Столкновение объектов с самой ПЧД также может оставить полые следы. Если черная дыра будет выброшена, плотность объекта окажется ниже, чем у других подобных тел с жидкими ядрами.
Столкновение между ПЧД (черный круг) и твердым астероидом (серый круг). (A) До взаимодействия черной дыры и астероида (B) Когда черная дыра пересекает астероид, она оставляет прямой туннель с поперечным сечением, сравнимым со шварцшильдовским радиусом ПЧД. Если состав астероида достаточно твердый, этот туннель быстро не исчезнет.
Однако главный вопрос заключается в том, может ли массивное полое тело оставаться целым, не разрушаясь под собственным весом. «Кора остается целой, если материал достаточно прочен, чтобы выдержать гравитационное напряжение», — говорят физики. Чтобы исследовать эту гипотезу, они рассчитали гравитационное напряжение, которое могут создавать небольшие ПЧД, а затем сравнили полученные результаты с прочностью на сжатие материалов, из которых обычно состоит каменистая кора, таких как силикатные минералы и железо. Они также учли самые прочные синтетические материалы, такие как многослойные углеродные нанотрубки.
Они обнаружили, что гранит может поддерживать полые структуры радиусом до десятой части радиуса Земли, не разрушаясь при этом. По мнению исследователей, это достаточно веская причина, чтобы сосредоточиться на планетоидах, спутниках и астероидах для обнаружения ПЧД. С другой стороны, если бы небольшая ПЧД была выброшена из твердого материала, она оставила бы длинный прямолинейный микротоннель эквивалентного радиуса (как показано выше). Например, выброс 1023-граммового ПЧД оставит туннель радиусом 0,1 микрона.
Возможность обнаружения с помощью существующих методов
По оценкам исследователей, несмотря на то, что энергия малых ПЧД значительна, энергия, которую они оставляют после прохождения, будет ничтожно мала. Такие ПЧД могли бы даже пройти через человеческое тело, не оставив никаких следов, поскольку наши ткани имеют очень низкое напряжение… Поэтому они предлагают искать следы их прохождения (микротоннели), что, по их мнению, будет относительно легко сделать с помощью существующих методов анализа горных пород или других твердых структур, таких как стекло.
Зонды, посадочные аппараты и другие роботизированные космические миссии могут быть оснащены датчиками, предназначенными для обнаружения таких микротоннелей. Эксперты предполагают, что для этой цели можно также использовать большие полированные и изолированные металлические пластины, обнаруживая внезапные изменения их свойств. Также было высказано предположение, что ПЧД испускают высокий уровень гамма-излучения, которое потенциально может быть обнаружено наземными датчиками. Результаты исследования подробно описаны в журнале Physics of the Dark Universe.
