Інститут фізики та математики Всесвіту Кавлі (The Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Kavli IPMU) — це наукова установа, в якій дослідники виконують багато міждисциплінарних проєктів. Цій роботі сприяє синергія значного й різнопланового досвіду, наявного в інституті. Один з таких проєктів — вивчення чорних дір, які могли утворитися в ранньому Всесвіті ще до формування зір і галактик.
Такі первинні чорні діри (primordial black holes, PBHs) можуть становити всю або частину темної матерії, бути причиною деяких гравітаційних хвиль, а також відповідальними за формування надмасивних чорних дір, виявлених в центрі нашої галактики та інших галактиках. Вони також можуть відігравати роль у процесі синтезу важких елементів, коли стикаються з нейтронними зорями і руйнують їх, що приводить до виділення великої кількості нейтронів. Нобелівську премію з фізики 2020 року отримав теоретик Роджер Пенроуз (Roger Penrose) та двоє астрономів Рейнхард Ґенцель (Reinhard Genzel) та Андреа Ґез (Andrea Ghez) за відкриття, що підтвердили існування чорних дір.
Прогрес у фундаментальній теорії, астрофізиці та астрономічних спостереженнях з пошуків PBH нещодавно досягла міжнародна група фізиків в галузі елементарних частинок, космологів та астрономів, зокрема співробітники Kavli IPMU Олександр Кусенко, Місао Сасакі (Misao Sasaki), Сунао Суґіяма (Sunao Sugiyama), Масахіро Такада (Masahiro Takada) та Володимир Тахістов.
Hyper Suprime-Cam (HSC) — це велика цифрова камера на телескопі «Субару» (Subaru). Фото з сайту https://phys.org.
Щоб дізнатись більше про первинні чорні діри, дослідницька група «подивилася» на ранній Всесвіт, щоб знайти підказки. Ранній Всесвіт був таким щільним, що будь-яка зміна густини на понад 50 відсотків спричинила б утворення чорної діри. Однак, як відомо, космологічні збурення, що стали зародками галактик, набагато менші. А втім, низка процесів у ранньому Всесвіті могла створити належні умови для утворення чорних дір.
Одна захоплива можливість полягає в тому, що первинні чорні діри можуть утворитися з «всесвітів-малюків» («baby universes»), створених під час інфляції — періоду швидкого розширення, що, як вважають космологи, привів до появи зародків таких спостережуваних нині структур, як галактики та скупчення галактик. Під час інфляції всесвіти-малюки можуть відгалужуватися від нашого всесвіту. Маленький щойно народжений всесвіт (або «дочірній») врешті-решт зруйнується, але велика кількість енергії, що виділяється в малому об’ємі, приводить до утворення чорної діри.
Ще своєрідніша доля чекає дочірній всесвіт, що досяг великого розміру. Якщо він більший за якийсь критичний розмір, то згідно з теорією гравітації Айнштайна такий дочірній всесвіт існуватиме в стані, який здається різним для спостерігача зсередини та зовні. Внутрішній спостерігач бачитиме його як всесвіт, що розширюється. Натомість зовнішній спостерігач (наприклад, ми) бачить його як чорну діру. У будь-якому випадку, великі й малі дочірні всесвіти науковці розглядають як первинні чорні діри, що приховують основну структуру безлічі всесвітів за своїми «горизонтами подій». Горизонт подій — це межа, за якою все, навіть світло, потрапляє в пастку і не може покинути чорну діру.
У своїй роботі наукова група описала новий сценарій формування PBH і показала, що чорні діри у разі «мультивсесвіту» можна знайти за допомогою Hyper Suprime-Cam (HSC), встановленої на 8,2-метровому телескопі «Субару» (Subaru). Він міститься біля вершини гори Мауна-Кеа висотою 4200 метрів на Гаваях, а HSC — це велика цифрова камера, створена й завдяки внеску Kavli IPMU. Пошук первинних чорних дір виконує Масахіро Такада з Kavli IPMU та його команда.
Телескоп «Субару» (Subaru) на Гаваях. Фото з сайту https://phys.org.
Чому Hyper Suprime-Cam була незамінною в цьому дослідженні? HSC має унікальну можливість отримувати знімок всієї галактики Андромеди кожні кілька хвилин. Якщо чорна діра проходить через промінь зору до однієї із зір, гравітація чорної діри вигинає промені світла: це приводить до того, що зоря на короткий проміжок часу стає яскравішою, ніж раніше. Тривалість посилення світла зорі вказує астрономам на масу чорної діри. За допомогою HSC можна одночасно спостерігати сто мільйонів зір, кидаючи широку сітку для первинних чорних дір, які можуть перетинати один із променів зору.
Зоря в галактиці Андромеди тимчасово стає яскравішою, якщо перед зорею проходить первинна чорна діра, фокусуючи світло зорі згідно з теорією гравітації. Фото з сайту https://phys.org.
Перші спостереження за допомогою Hyper Suprime-Cam вже вказували на дуже незвичну подію в «кандидати», що відповідає параметрам первинної чорної діри від «мультивсесвіту» — її маса відповідає масі Місяця. Підбадьорені цим першим знаком та взявши до уваги нові теоретичні уявлення, наукова група знову виконує спостереження, щоб розширити пошук та отримати остаточний тест на те, чи можуть PBH, які розглядають в сценарії мультивсесвіту, містити всю темну матерію нашого всесвіту.
За інф. з сайту https://phys.org
