История ранней Вселенной остается той областью, где фундаментальные теории «сталкиваются» со сверхэкстремальными условиями, неподдающимися непосредственному экспериментальному изучению. Временной интервал, охватывающий первые доли секунды после «рождения» пространства-времени, характеризовался параметрами, требующими существенного изменения привычных физических моделей. Температура выходила за пределы энергетических масштабов стандартной теории, плотность достигала значений, близких к планковской, а динамика полей определялась квантовыми флуктуациями, усилившими неоднородности в распределении энергии. Инфляционная стадия растянула микроскопические возмущения до макроскопических размеров, породив условия, при которых локальные пики плотностей могли переходить в состояние гравитационного коллапса.
 Космическая обсерватория James Webb обнаружила две далекие спиральные галактики с чрезвычайно массивными черными дырами в их центрах. Результаты новых исследований позволяют предположить, что самые ранние черные дыры во Вселенной, вероятно, не исчезли, а превратились в сверхмассивные гиганты, подобные этим.
В такой среде сформировались компактные объекты, происхождение которых не было связано с эволюцией звездных систем. Такие образования - классифицируемые современной космологией как первичные черные дыры - были прямым следствием взаимодействия квантовых флуктуаций с гравитацией в условиях экстремальной кривизны пространства-времени. Масштаб таких формаций определялся амплитудой возмущений и скоростью экспансии, что приводило к широкому разбросу возможных масс — от субатомных значений до величин, сопоставимых с массой огромных небесных тел.
Долгое время считалось, что крошечные первичные черные дыры не способны сохранять свою массу на протяжении космических эпох. Согласно классической концепции, квантовые процессы приводят к постепенному излучению энергии, вызывая уменьшение массы и последующее исчезновение таких объектов. Данный механизм, известный как эффект Хокинга, стал частью стандартного представления о судьбе небольших черных дыр. Однако новые исследования показывают, что эта модель не учитывает влияние плотной радиационной среды, существовавшей в ранние эпохи.
Сразу после космической инфляции пространство не являлось разреженной средой. Оно было насыщено высокоэнергетическими фотонами, лептонами, кварками и глюонами, находящимися в состоянии термодинамического равновесия. При таких условиях компактные объекты испытывали интенсивное взаимодействие с окружающим излучением. Если поток энергии, падающий на горизонт событий, превышал мощность квантового испарения (излучения Хокинга), объект не терял массу, а, наоборот, увеличивал ее. То есть, механизм основан на поглощении теплового фонового излучения, что меняет старую теорию о происхождении черных дыр.
«Новые расчеты демонстрируют, что в ранней Вселенной плотность излучения была столь высока, что даже небольшие объекты могли накапливать энергию быстрее, чем теряли ее в результате квантовых процессов. Следовательно, некоторые из них могли не только избежать испарения, но и перейти в режим роста, наращивая свою массу в течение значительного периода времени. Таким образом, древние черные дыры могут существовать и в современную эпоху, что открывает новые перспективы для объяснения природы темной материи» — отмечает автор исследования.
Темная материя остается одной из главных загадок современной космологии. О том, что темная материя существует, свидетельствует ее гравитационное влияние на движение галактик (гравитационное линзирование), образование крупномасштабных структур и динамику скоплений. Однако природа материи этого вида до сих пор неизвестна. Если первичные черные дыры действительно пережили ранние стадии космической эволюции, они могут составлять значительную часть «невидимой массы». Диапазон допустимых масс таких объектов зависит от параметра, определяющего эффективность абсорбции излучения. При определенных значениях этого параметра диапазон возможных масс расширяется на несколько порядков, что делает гипотезу о первичных черных дырах как составляющей темной материи гораздо более правдоподобной.
Кроме того, наличие таких ЧД в ранней Вселенной могло повлиять на распределение материи, ускорить формирование протогалактик и изменить динамику плотностных возмущений. Первичные черные дыры могли служить дополнительными центрами гравитационного притяжения, способствуя формированию крупных космических структур. А значит, их роль в истории Вселенной могла быть гораздо более важной, чем считалось ранее.
Современные методы наблюдения позволяют искать следы существования таких объектов с помощью гравитационного микролинзирования, анализа реликтового излучения и анализа распределения массы в галактических системах. Открытие первичных черных дыр стало бы важным шагом вперед в понимании природы темной материи и процессов, протекавших в первые мгновения зарождения нашей Вселенной.
Источник livescience.com |
□