Физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предложили новую теорию того, как могли сформироваться первые черные дыры Вселенной и какую роль они могли сыграть в производстве тяжелых элементов, таких как золото, платина и уран.
Работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Астрофизики уже давно ломают голову над вопросом, когда появились самые первые черные дыры во Вселенной – спустя менее чем секунду после Большого Взрыва или много миллионов лет позднее, когда умирали первые звезды.
Александр Кусенко, профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Эрик Котнер, аспирант университета, разработали достаточно простую новую теорию, из которой следует, что черные дыры могли сформироваться вскоре после Большого Взрыва, задолго до того, как засияли первые звезды. Астрономы ранее выдвигали предположения, что эти так называемые первичные черные дыры могут объяснить всю или часть загадочной темной материи и что они также могли засеять формацию сверхмассивных черных дыр, которые пребывают в центрах галактик. Новая теория предполагает, что первичные черные дыры могли помочь в создании множества тяжелых элементов, встречающихся в природе.
Исследователи начали с рассмотрения однородного поля энергии, пронизывающего Вселенную сразу после Большого Взрыва. Ученые ожидают, что такие поля существовали в далеком прошлом. После того, как вселенная быстро расширилась, это энергетическое поле скомковалось. Гравитация заставила эти комки встретиться и объединиться. Исследователи из Лос-Анджелеса предположили, что небольшая часть этих растущих комков была достаточно плотной, чтобы стать черными дырами.
Их гипотеза довольно обобщенная, говорит Кусенко, и не полагается на, как он выразился, «маловероятные совпадения», лежащие в основе других теорий, объясняющих первичные черные дыры.
Из работы следует, что эти первичные черные дыры можно найти при помощи астрономических наблюдений. Один из методов включает измерение крошечных изменений яркости звезды, которые являются следствием гравитационных эффектов первичной черной дыры, проходящей между Землей и этой звездой. Ранее в этом году американские и японские астрономы опубликовали статью об открытии одной звезды в соседней галактики, которая мерцала ярче и тусклее так, словно перед ней проходили первичная черная дыра.
В отдельном исследовании Кусенко, Владимир Тахистов и Джордж Фуллер предположили, что первичные черные дыры могут играть важную роль в формировании тяжелых элементов, таких как золото, серебро, платина и уран. Происхождение этих тяжелых элементов долгое время было загадкой для исследователей.
«Ученые знают, что эти тяжелые элементы существуют, но не уверены в том, где они формирутся», говорит Кусенко. «Неудобно получается».
Исследования Калифорнийского университета показывают, что первичная черная дыра периодически сталкивается с нейтронной звездой – быстро вращающимся остатком звезды небольшого размера после взрыва сверхновой – и засасывает ее в себя.
Когда происходит подобное, говорит Кусенко, первичная черная дыра поглощает нейтронную звезду изнутри в течение порядка 10 000 лет. По мере того, как нейтронная звезда сжимается, она начинает вращаться все быстрее, пока, наконец, небольшие фрагменты от нее не отделятся и не улетят. Эти фрагменты богатого нейтронами материала и могут быть источниками, в которых нейтроны синтезируют все более и более тяжелые элементы, говорит Кусенко.
Однако, вероятность того, что нейтронная звезда захватит черную дыру, довольно низкая, говорит Кусенко, что согласуется с наблюдениями некоторых галактик, обогащенных тяжелыми элементами. Теория о том, что первичные черные дыры сталкиваются с нейтронными звездами, создавая тяжелые элементы, также объясняет наблюдаемое отсутствие нейтронных звезд в центре галактики Млечный Путь, давнюю тайну астрофизики.
Этой зимой Кусенко и его коллеги будут работать вместе с учеными Принстонского университета над компьютерным моделированием тяжелых элементов, рождающихся в процессе взаимодействия черных дыр и нейтронных звезд. Сравнивая результаты этого моделирования с наблюдениями тяжелых элементов в соседних галактиках, ученые надеются определить, действительно ли первичные черные дыры несут ответственность за появление золота, платины и урана на Земле.
