Человек способен перемещаться лишь в трёх пространственных измерениях, а время неумолимо движется вперёд. Но гравитация, возможно, подчиняется не совсем тем же ограничениям.
Некоторые физические модели допускают существование ещё одного, скрытого пространственного измерения. Обычная материя не может в него проникнуть, однако гравитация теоретически способна распространяться и туда.
Если это действительно так, то во Вселенной могут существовать объекты, геометрия которых частично уходит в недоступное нам измерение. И одним из лучших кандидатов на такую роль считаются первичные чёрные дыры.
В отличие от обычных чёрных дыр, возникающих после гибели массивных звёзд, первичные чёрные дыры могли образоваться практически сразу после Большого взрыва из особенно плотных областей молодой Вселенной.
До сих пор ни одну такую чёрную дыру достоверно не обнаружили. Но физики активно изучают их, поскольку эти объекты могли сохранить информацию об эпохе, которую невозможно наблюдать напрямую. Кроме того, их давно рассматривают как один из возможных компонентов тёмной материи.
В новой работе физик Луис Анчордоки из колледжа Лемана и его коллеги рассмотрели необычный вопрос: какими должны быть первичные чёрные дыры, если дополнительное «тёмное» измерение действительно существует.
Для понимания идеи можно представить нарисованного на листе бумаги человечка. Он способен двигаться только по поверхности листа и не может подняться над ним. Более того, ему было бы трудно даже представить направление, которого в его двухмерном мире не существует.
Согласно рассматриваемой модели, наша Вселенная устроена похожим образом. Три привычных пространственных измерения вместе со временем образуют своеобразную четырёхмерную поверхность, находящуюся внутри пространства с большим числом измерений.
Дополнительное измерение при этом должно быть очень маленьким — около одного микрона. Обычные частицы остаются привязаны к нашей части пространства, а вот гравитация может распространяться дальше.
Для человека микрон — чрезвычайно малая величина. Но для микроскопической чёрной дыры такой масштаб уже может оказаться существенным.
Обычные чёрные дыры можно успешно описывать в рамках четырёх измерений: трёх пространственных и времени. Однако если чёрная дыра становится настолько маленькой, что её горизонт событий оказывается меньше масштаба дополнительного измерения, ситуация меняется.
Её гравитация начинает распространяться в ещё одном направлении, и геометрия такой чёрной дыры становится пятимерной.
Исследователи проверили два предполагаемых механизма образования первичных чёрных дыр в молодой Вселенной.
Первый связан с резкими фазовыми переходами. В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная быстро остывала, и некоторые её области могли становиться настолько плотными, что коллапсировали в крошечные чёрные дыры.
Расчёты показали, что в модели с дополнительным измерением такие объекты были бы слишком малы, чтобы устойчиво существовать как обычные четырёхмерные чёрные дыры. Их конфигурация становилась бы нестабильной, после чего они переходили бы в пятимерное состояние.
Второй возможный механизм связан с гипотетическими космическими струнами — дефектами пространства-времени, которые могли появиться в ранней Вселенной. Их петли могли сжиматься под действием собственного натяжения и превращаться в чёрные дыры.
В этом случае результат оказался ещё однозначнее: если «тёмное» измерение существует, такие первичные чёрные дыры должны были рождаться пятимерными сразу.
Дополнительное измерение меняет не только их геометрию, но и продолжительность жизни.
Чёрные дыры постепенно теряют массу за счёт излучения Хокинга. Чем меньше чёрная дыра, тем быстрее этот процесс обычно идёт. Однако пятимерные объекты должны испаряться медленнее своих четырёхмерных аналогов.
По расчётам исследователей, некоторые первичные чёрные дыры, возникшие из космических струн, могли прожить примерно столько же, сколько существует сама Вселенная — около 13,8 миллиарда лет.
Это означает, что отдельные такие объекты теоретически могут существовать и сегодня, постепенно приближаясь к последнему этапу своей жизни и в конце концов полностью исчезая, превращаясь в поток частиц.
Авторы даже предположили, что подобное событие может быть связано с чрезвычайно энергичным нейтрино, зарегистрированным обсерваторией КМ3НеТ.
Согласно предложенному сценарию, пятимерная первичная чёрная дыра могла испустить частицы в дополнительное измерение, после чего один из процессов привёл к появлению нейтрино уже в нашем пространстве. Это могло бы объяснить, почему с того же направления не обнаружили соответствующего высокоэнергетического фотона.
Однако эта часть работы остаётся крайне предположительной.
Существование ни первичных чёрных дыр, ни самого дополнительного «тёмного» измерения пока не доказано. Авторы также признают, что объяснение события КМ3НеТ таким механизмом сталкивается с нерешёнными вопросами.
Тем не менее именно поэтому первичные чёрные дыры так интересуют физиков. Если они действительно существуют, эти крошечные остатки ранней Вселенной могут хранить информацию о физических процессах, происходивших при энергиях и масштабах, которые невозможно воспроизвести сегодня.
А возможно, они способны дать и первые косвенные сведения об измерении пространства, существование которого человек никогда не сможет проверить непосредственным путешествием туда.
