Фізики запропонували незвичайний спосіб перевірити, чи існує у Всесвіту додатковий просторовий вимір, недоступний для звичайної матерії. Ключем до цього можуть стати первісні чорні діри — гіпотетичні надщільні об’єкти, які могли виникнути невдовзі після Великого вибуху.
Нове дослідження під керівництвом фізика Луїса Анчордокі з Коледжу Лемана у США показує: якщо так званий «темний вимір» справді існує, первісні чорні діри, достатньо малі для його «відчуття», повинні мати п’ятимірну геометрію, а не звичайну чотиривимірну.
Результати дослідження мають бути опубліковані 28 вересня у журналі Physical Review D.
Наш Всесвіт може бути лише «площиною»
У звичній фізичній картині Всесвіт має три просторові виміри та час. Проте деякі теоретичні моделі допускають існування додаткових вимірів.
Для пояснення цієї ідеї фізики використовують поняття брани — своєрідної «поверхні», всередині якої існує звичайна матерія. У такій моделі наша чотиривимірна реальність — три виміри простору плюс час — може бути занурена у багатовимірний простір, який називають bulk.
Уявімо двовимірну істоту, яка живе на аркуші паперу. Вона може рухатися вперед-назад і праворуч-ліворуч, але не здатна безпосередньо переміститися над поверхню аркуша. Так само ми можемо не мати прямого доступу до додаткового просторового виміру.
Однак є одна важлива відмінність: гравітація, можливо, не настільки жорстко прив’язана до нашої «брани», як звичайна матерія.
Що таке «темний вимір»
У моделі, яку розглядають дослідники, додатковий просторовий вимір може бути компактним — його розмір оцінюють приблизно в один мікрометр, тобто одну мільйонну частину метра.
Для людини це надзвичайно мала відстань. Але для дуже маленької чорної діри мікрометровий масштаб може бути величезним.
Звичайні великі чорні діри можна описувати як об’єкти чотиривимірного простору-часу. Їхня гравітація викривляє три просторові виміри та час.
Але якщо чорна діра стає достатньо малою, її горизонт подій може виявитися меншим за масштаб додаткового виміру. Тоді її гравітаційне поле потенційно поширюватиметься й у цей прихований напрямок.
Чорна діра фактично стає п’ятимірною.
Первісні чорні діри виникли не із зірок
На відміну від звичайних чорних дір, які можуть утворюватися після колапсу масивних зірок, первісні чорні діри, або PBH, могли виникнути ще в ранньому Всесвіті.
Йдеться про перші миті після Великого вибуху, коли Всесвіт являв собою надзвичайно гарячу й щільну суміш частинок та полів.
Якщо в певних ділянках цієї первісної матерії виникали достатньо великі локальні перенасичення, вони могли під дією власної гравітації колапсувати й утворити чорні діри.
Поки що жодної первісної чорної діри достовірно не виявлено. Водночас фізики активно досліджують їх, оскільки такі об’єкти могли б зберегти інформацію про найраніший етап існування Всесвіту.
Крім того, первісні чорні діри розглядаються як один із можливих кандидатів на роль частини темної матерії.
Чому чорні діри можуть стати тестом п’ятого виміру
Анчордокі та його колеги розглянули два можливі механізми утворення первісних чорних дір.
Перший пов’язаний із фазовими переходами раннього Всесвіту. У міру охолодження Всесвіту могли відбуватися різкі зміни стану матерії. Подібні процеси можна умовно порівняти з перетворенням пари на рідину або води на лід, хоча фізика раннього Всесвіту була набагато складнішою.
Такі процеси могли створювати надзвичайно щільні області, які згодом колапсували в первісні чорні діри.
Розрахунки показали, що в моделі з темним виміром дуже маленькі чотиривимірні чорні діри були б нестабільними. Вони могли переходити до п’ятимірної конфігурації внаслідок явища, відомого як нестабільність Грегорі—Лафламма.
Другий механізм пов’язаний із гіпотетичними космічними струнами — дефектами структури простору-часу, які могли сформуватися в ранньому Всесвіті.
Якщо такі струни утворювали петлі, вони могли стискатися під дією власного натягу й зрештою колапсувати у чорні діри.
У цьому випадку розрахунки дослідників дали ще чіткіший результат: у сценарії з темним виміром чорні діри, сформовані внаслідок колапсу космічних струн, від самого початку були б п’ятимірними.
Читайте також: Вчені вперше зафіксували радіосигнал від екзопланети
П’ятимірні чорні діри могли існувати мільярди років
Є ще одна важлива особливість.
Чорні діри поступово втрачають масу через випромінювання Гокінга. Чим менша чорна діра, тим швидше вона випаровується.
Але п’ятимірні чорні діри, за розрахунками дослідників, можуть випаровуватися повільніше, ніж їхні чотиривимірні аналоги.
Це означає, що деякі первісні чорні діри, які виникли після Великого вибуху, могли проіснувати майже весь вік Всесвіту — близько 13,8 мільярда років.
Деякі з них теоретично можуть існувати й сьогодні.
Зрештою така чорна діра мала б повністю випаруватися, вивільнивши потік частинок.
Чи могли ми вже побачити «слід» п’ятого виміру?
Дослідники припускають, що випаровування п’ятимірної первісної чорної діри могло б мати незвичайний спостережуваний наслідок.
Частина частинок могла б залишати нашу чотиривимірну «брану» й поширюватися в додатковому вимірі. Водночас процес міг породжувати нейтрино, яке зрештою досягало б нашої частини Всесвіту.
Автори дослідження навіть розглядають можливий зв’язок із надзвичайно енергійним нейтрино, зафіксованим нейтринною обсерваторією KM3NeT.
Особливий інтерес викликає те, що в напрямку цього нейтрино не було виявлено відповідного високоенергетичного фотонного сигналу. Теоретично це може узгоджуватися зі сценарієм, у якому частина енергії первісної чорної діри «витікає» в додатковий вимір.
Але тут необхідна максимальна обережність.
Поки що це лише теоретична можливість
Ні первісні чорні діри, ні «темний» п’ятий вимір поки що експериментально не підтверджені.
Зв’язок між KM3NeT-нейтрино та випаровуванням п’ятимірної чорної діри також залишається гіпотезою. Самі дослідники зазначають, що такий сценарій має невирішені теоретичні проблеми.
Водночас первісні чорні діри становлять інтерес саме тому, що вони могли б бути своєрідними «капсулами часу» раннього Всесвіту.
Якщо їх коли-небудь вдасться виявити, вони можуть розповісти не лише про перші миті після Великого вибуху, а й про фізику на масштабах, які неможливо відтворити навіть у найпотужніших земних експериментах.
І, можливо, дати нам перший непрямий погляд на вимір простору, до якого ми самі ніколи не зможемо потрапити.
