Древние черные дыры могут помочь ученым обнаружить скрытое пятое измерение Вселенной

Черные дыры могут помочь ученым проверить гипотезу о существовании дополнительного пространственного измерения, которое выходит за пределы привычного нам пространства-времени. Физики предполагают, что ключ к его поиску могут дать первичные черные дыры — гипотетические объекты, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва.

Как пишет Daily Mail, исследователи из американского колледжа Лемана рассчитали, какими могли бы быть такие черные дыры, если бы Вселенная имела пятое измерение.

Как ученые представляют себе пятое измерение

В физике существуют теории, согласно которым помимо трех пространственных измерений — высоты, ширины и глубины — и времени может существовать еще одно пространственное измерение, недоступное для непосредственного наблюдения.

Представить эту возможность помогает простой пример. Человек, нарисованный на листе бумаги, существует в мире, ограниченном двумя пространственными измерениями — длиной и шириной. Он не может подняться над поверхностью листа или посмотреть на нее со стороны, поэтому не способен непосредственно воспринимать направление, соответствующее высоте.

Некоторые теоретические модели предполагают, что привычное четырехмерное пространство-время устроено похожим образом и может быть частью более объемной пятимерной реальности. В таких моделях четырехмерную область пространства-времени, в которой существуют все наблюдаемые объекты, называют браной. Она находится внутри пространства с дополнительным измерением.

Согласно рассматриваемой гипотезе, характерный масштаб дополнительного измерения может составлять около микрона — миллионной доли метра. Прямых доказательств существования такого измерения пока нет. Однако в некоторых теоретических моделях его наличие позволяет упростить математическое описание электромагнетизма и гравитации. Проверить подобные предположения ученые пытаются, в частности, с помощью расчетов, описывающих поведение черных дыр.

Чем первичные черные дыры отличаются от обычных

Большинство известных черных дыр, согласно современным представлениям, образуется в результате коллапса массивных звезд. Когда звезда исчерпывает запасы топлива, она может перестать противостоять собственной гравитации и сжаться до чрезвычайно плотного состояния. Гравитационное поле черной дыры настолько сильно, что за определенную границу вокруг нее — горизонт событий — не может выйти даже свет. Первичные черные дыры, если они существуют, могли появиться гораздо раньше — еще до образования звезд и галактик.

По одной из гипотез, они сформировались из участков ранней Вселенной с особенно высокой плотностью вещества. Под действием гравитации эти области могли сжиматься и превращаться в черные дыры.

Другой возможный механизм связан с космическими струнами — гипотетическими тонкими структурами, которые, согласно некоторым теориям, могли возникнуть на ранних этапах развития Вселенной. Петли таких струн могли схлопываться и образовывать черные дыры.

Первичные черные дыры пока не обнаружены напрямую. Ученые также рассматривают возможность того, что они могут составлять часть темной материи — невидимого вещества, на долю которого, по современным оценкам, приходится около 27% энергетического содержания Вселенной.

Как дополнительное измерение могло бы изменить свойства черных дыр

Авторы исследования рассмотрели два сценария образования первичных черных дыр в модели с дополнительным измерением.

В первом случае черные дыры возникают из областей повышенной плотности в ранней Вселенной. Согласно расчетам, сначала они ведут себя как обычные четырехмерные объекты, но из-за малых размеров такая конфигурация становится нестабильной, и черные дыры переходят в пятимерное состояние.

Во втором сценарии черные дыры образуются при схлопывании петель космических струн. В этом случае, согласно модели, они были бы пятимерными с самого начала.

Ученые также рассчитали, как такие объекты могли бы исчезать. Согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры способны постепенно терять энергию, испуская излучение. Этот процесс называют излучением Хокинга. Со временем он может привести к полному испарению черной дыры.

Расчеты показывают, что пятимерные черные дыры могут испаряться медленнее, чем четырехмерные. В частности, первичные черные дыры, возникшие из петель космических струн, теоретически могли бы просуществовать около 13,8 млрд лет — примерно столько же, сколько существует Вселенная. Поэтому некоторые из них могли сохраниться до наших дней.

Может ли это объяснить появление необычной частицы

Исследователи предположили, что испарение пятимерной первичной черной дыры может быть связано с высокоэнергетической частицей, которую в 2023 году зарегистрировал детектор KM3NeT под Средиземным морем.

Однако эта связь остается гипотезой. Обнаружение частицы само по себе не доказывает ни существования первичных черных дыр, ни наличия дополнительного пространственного измерения.

Пятое измерение пока остается теоретическим предположением, а существование первичных черных дыр не подтверждено прямыми наблюдениями. Тем не менее исследование показывает, что изучение свойств черных дыр может помочь ученым проверить некоторые необычные модели устройства Вселенной.

иллюстрация: NASA