Поиск темной материи из мультивселенной

Такие первичные черные дыры (ПЧД) могут составлять всю или часть темной материи, нести ответственность за некоторые из наблюдаемых сигналов гравитационных волн и зародыши сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центре нашей Галактики и других галактик.

Они также могут играть роль в синтезе тяжелых элементов, когда они сталкиваются с нейтронными звездами и разрушают их, высвобождая богатый нейтронами материал. В частности, существует захватывающая возможность того, что загадочная темная материя, на которую приходится большая часть материи во Вселенной, состоит из первичных черных дыр.

Нобелевская премия по физике 2020 года была присуждена теоретику Роджеру Пенроузу и двум астрономам, Рейнхарду Гензелю и Андреа Гез, за ​​их открытия, подтвердившие существование черных дыр. Поскольку известно, что черные дыры существуют в природе, они являются очень привлекательным кандидатом на роль темной материи.

Поиск темной материи из мультивселенной

Недавний прогресс в фундаментальной теории, астрофизике и астрономических наблюдениях в поисках ПЧД был достигнут международной группой физиков элементарных частиц, космологов и астрономов, включая членов ИПМУ Кавли Александра Кусенко, Мисао Сасаки, Сунао Сугияма, Масахиро Такада и Владимира Тахистова.

Чтобы узнать больше о первичных черных дырах, исследовательская группа изучила раннюю Вселенную в поисках подсказок. Ранняя Вселенная была настолько плотной, что любое положительное колебание плотности более 50 процентов привело бы к созданию черной дыры. Однако известно, что космологические возмущения, засеянные галактиками, намного меньше. Тем не менее, ряд процессов в ранней Вселенной мог создать правильные условия для образования черных дыр.

Одна захватывающая возможность заключается в том, что первичные черные дыры могли образоваться из «младенческих вселенных», созданных во время инфляции, периода быстрого расширения, который, как полагают, отвечает за засеивание структур, которые мы наблюдаем сегодня, таких как галактики и скопления галактик. Во время инфляции детские вселенные могут ответвляться от нашей вселенной. Маленькая младенческая (или «дочерняя») Вселенная в конечном итоге схлопнется, но большое количество энергии, высвобождаемой в небольшом объеме, вызывает образование черной дыры.

Еще более своеобразная судьба ждет большую детскую вселенную. Если она больше некоторого критического размера, теория гравитации Эйнштейна позволяет младенческой вселенной существовать в состоянии, которое кажется отличным для наблюдателя изнутри и снаружи. Внутренний наблюдатель видит в ней расширяющуюся Вселенную, а сторонний наблюдатель (например, мы) видит в ней черную дыру. В любом случае, большая и маленькая младенческие вселенные рассматриваются нами как первичные черные дыры, которые скрывают базовую структуру множества вселенных за своими «горизонтами событий». Горизонт событий — это граница, ниже которой все, даже свет, оказывается в ловушке и не может покинуть черную дыру.

В своей статье команда описала новый сценарий образования PBH и показала, что черные дыры из сценария «мультивселенной» можно найти с помощью Hyper Suprime-Cam (HSC) телескопа Subaru 8,2 м, гигантской цифровой камеры. руководство которого Кавли ИПМУ сыграло решающую роль — около 4200-метровой вершины горы. Мауна-Кеа на Гавайях. Их работа является захватывающим продолжением поиска HSC PBH, которым занимаются Масахиро Такада, главный исследователь IPMU Кавли, и его команда. Команда HSC недавно сообщила о главных ограничениях существования PBH в Niikura, Takada et. al. (Nature Astronomy 3, 524-534 (2019)).

Почему HSC был незаменим в этом исследовании? HSC обладает уникальной способностью каждые несколько минут снимать всю галактику Андромеды. Если черная дыра проходит через луч зрения к одной из звезд, гравитация черной дыры искривляет световые лучи и заставляет звезду казаться ярче, чем раньше, на короткий период времени. Продолжительность просветления звезды сообщает астрономам массу черной дыры. С помощью HSC-наблюдений можно одновременно наблюдать сто миллионов звезд, бросая широкую сеть для первичных черных дыр, которые могут пересекать одну из линий зрения.

Первые наблюдения HSC уже сообщили об очень интригующем событии-кандидате, совместимом с ПЧД из «мультивселенной», с массой черной дыры, сравнимой с массой Луны. Воодушевленная этим первым признаком и руководствуясь новым теоретическим пониманием, команда проводит новый раунд наблюдений, чтобы расширить поиск и дать окончательный тест на то, могут ли ПЧД из сценария мультивселенной объяснить всю темную материю.