Японские физики применили квантовую теорию поля к ранней Вселенной. Они пришли к выводу, что первичных черных дыр может быть меньше, чем предполагали предыдущие теории. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Сегодня ученые сходятся во мнении, что Вселенная появилась около 13,8 млрд лет назад. Она началась с Большого взрыва. За ним последовала эпоха инфляции, то есть стремительного расширения. Со временем Вселенная стала неоднородна, в ней появились разные структуры — галактики, звезды, планеты. Большая часть Вселенной сегодня кажется пустой, но, как полагают ученые, на самом деле она заполнена темной материей — гипотетической формой материи, наблюдать которую напрямую невозможно. Она составляет примерно четверть массы Вселенной и проявляется только в гравитационных взаимодействиях.
С темной материей связана проблема — так называемое несоответствие темной материи (discrepancy dark matter). Оно проявляется в том, что Вселенная кажется тяжелее, чем могут наблюдать ученые. Возможно, оно связано с первичными черными дырами. Это гипотетические объекты, которые появились в первые моменты существования вселеннойю Они и могут быть «утяжелителями» Вселенной.
«Мы называем их первичными черными дырами (ПЧД), и многие исследователи считают, что они являются сильными кандидатами на роль темной материи, но их должно быть много, чтобы удовлетворить эту теорию. Они интересны и по другим причинам: после недавних инноваций в гравитационно-волновой астрономии были открыты слияния двойных черных дыр, которые можно объяснить, если ПЧД существуют в больших количествах. Но, несмотря на эти веские причины для их ожидаемой численности, мы не увидели их напрямую, и теперь у нас есть модель, которая должна объяснить, почему это так», — рассказал Джейсон Кристиано из Токийского университета.
Ученые исследовали различные модели образования PBH, но обнаружили, что самые популярные из них не согласуются с реальными наблюдениями реликтового излучения (теплового отпечатка ранней Вселенной). Поэтому ученые решили скорректировать существующую модель формирования первичных черных дыр, чтобы она лучше согласовывалась с текущими наблюдениями и могла быть дополнительно подтверждена предстоящими наблюдениями телескопов.
«Вначале Вселенная была невероятно маленькой, намного меньше размера одного атома. Космическая инфляция быстро увеличила это значение на 25 порядков. В то время волны, проходящие через это крошечное пространство, могли иметь относительно большие амплитуды, но очень короткие длины волн. Мы обнаружили, что эти крошечные, но сильные волны могут привести к необъяснимому усилению гораздо более длинных волн, которые мы видим в современном реликтовом излучении. Мы считаем, что это связано со случайными случаями когерентности между этими ранними короткими волнами, которые можно объяснить с помощью квантовой теории поля, самой надежной теории, которая у нас есть для описания повседневных явлений, таких как фотоны или электроны. В то время как отдельные короткие волны были бы относительно бессильны, сплоченные группы могли бы изменить форму волн, гораздо более крупных, чем они сами. Это редкий случай, когда теория чего-то на одном крайнем уровне, кажется, объясняет что-то на противоположном конце шкалы», — рассказал Дзюн’ити Ёкояма из Физико-математического института имени Кавли. Иначе говоря, ученые пересмотрели влияние небольших колебаний на более крупные.
Если выдвинутая японскими учеными теория верна, то может измениться стандартное объяснение многих структур во Вселенной. Однако измерения длин волн реликтового излучения ограничивают возможную протяженность волн в ранней Вселенной и, соответственно, любые связанные с ними явления. Первичные черные дыры могут помочь согласовать расчеты.
«Широко распространено мнение, что коллапс коротких, но сильных волн в ранней Вселенной — это то, что создает первичные черные дыры. Наше исследование предполагает, что ПЧД должно быть гораздо меньше, чем необходимо, если они действительно являются сильными кандидатами на события темной материи или гравитационных волн», — пояснил Джейсон Кристиано.
Таким образом, первичных черных дыр может быть меньше, чем предполагали предыдущие модели. Наблюдения с гравитационных обсерваторий помогут проверить выдвинутую теорию.
