Мы могли бы увидеть такой взрыв черной дыры в ближайшие 10 лет, считают ученые
Десять лет назад первые гравитационные волны подтвердили, что черные дыры сталкиваются. Телескопы вскоре обнаружили тени гигантов, скрывающихся в ядрах галактик. Следующий рубеж незнаком: крошечные черные дыры от первого сердцебиения Вселенной. Эти первичные остатки могут быть намного легче, чем коллапсировавшие звезды, и некоторые могут умереть сегодня в блестящих всплесках. Новое исследование показывает, как это может произойти и почему вы можете на самом деле поймать один с помощью современных телескопов.
Почему маленькие черные дыры могут закончиться взрывом
Черные дыры не совсем черные. Они слабо светятся излучением Хокинга, тепловой струйкой, которая становится горячее, когда масса падает. Подумайте о температурном масштабировании примерно так, как если бы оно было разделено массой. Звёздные или сверхмассивные дыры остаются холодными и тихими в течение невообразимых веков. Но первичная черная дыра с правильной массой может нагреваться, излучать быстрее и убегать к последней вспышке.
На стандартной картинке те, что заканчиваются сейчас, родились около 5,6 × 1014 граммов. Их интегрированное свечение добавит к рентгеновской и гамма-туманности по небу. Эта дымка — внегалактический гамма-фон — сильно ограничивает количество таких объектов. Самая тесная граница позволяет только около 10-10 темной материи в этих массах. Складываясь в реалистичные массовые распространения, вы ожидаете менее 0,01 окончательных взрывов на кубический парсек в год локально. С инструментами, способными видеть только около десятой части парсека, вы бы ждали около 100 000 лет для одного всплеска. Не большие шансы.
Простой поворот: скрытый заряд задерживает ожог
Новая работа предлагает скромное расширение физики. Добавить «темную» версию электромагнетизма и очень тяжелый «темный электрон». Теперь представьте себе некоторые первичные черные дыры, образованные с небольшим темным зарядом — около одного процента заряда в примерах. На раннем этапе дыра излучает обычным способом и сжимается. Но она не может легко выплюнуть эти тяжелые темные электроны, чтобы нейтрализовать себя. По мере падения массы отношение заряда к массе повышается к экстремальному пределу, и температура падает. Испарение ползет.
Этот длинный прохладный ларь, называемый квазиэкстремальной фазой, позволяет гораздо более легким дырам выдерживать настоящее время. На протяжении эонов темное электрическое поле вблизи горизонта усиливается. В конце концов, оно становится достаточно мощным, чтобы вырвать темные электрон-позитронные пары из вакуума с помощью процесса, подобного Швингеру. Заряд стекает в спешке. Температурные всплески. Черная дыра сбрасывает последнюю свою массу и взрывается как нейтральная.
Эта дуга трех актов — ранний ожог, длительное затворничество, поздний разряд — делает две большие вещи. Она снижает массу рождения, необходимую для смерти сегодня, и подавляет выход прошлых фотонов, которые могли бы темно-заряженный первичный взрыв черной дыры в противном случае появиться на гамма-фоне. Больше выживших сейчас, меньше проблем тогда.
Связанные истории
Что говорят цифры
Исследование следует за массой, температурой и зарядом черной дыры с использованием стандартного излучения Хокинга с факторами серого тела. Он рассматривает темный фотон как безмассовый, а темный электрон как очень тяжелый. В репрезентативном случае дыра, рожденная при 9,6 × 1012 граммах и несущая 0,01 параметр темного заряда, исчезла бы примерно через 104 года, если бы была нейтральной. С темным зарядом она вместо этого охлаждается до почти экстремальности и задерживается примерно до 1010 лет, когда производство темной пары Швингера, наконец, включается и начинается последний акт.
Ограничения космологии все еще имеют значение. Авторы проверяют впрыск энергии во время нуклеосинтеза Большого взрыва, поздний нагрев, который влияет на космический микроволновый фон, и внегалактический гамма-фон на 1 МэВ до 106 ГэВ. Используя закон мощности, подходящий с индексом около 2,6 для описания наблюдаемого гамма-фона, они переводят разрешенные фракции черных дыр в современные скорости всплеска.
Реальные популяции, вероятно, охватывают массы, поэтому команда принимает логарифмическое нормальное распределение с шириной 0,3 и развивает его вперед. Картина резко меняется по сравнению с нейтральным случаем. Вместо потолка около 0,01 события на кубический парсек в год, максимально допустимая локальная скорость может достигать около 104 в частях пространства параметров темного сектора. Есть компромисс: разрядка позже означает более быстрый, короткий конечный всплеск, поэтому каждое событие дает меньше фотонов с очень высокой энергией. Сладкое пятно, где многие события все еще доставляют достаточно фотонов TeV, чтобы видеть, земли около 1000 на кубический парсек в год.
Что могут реально поймать ХАВК и Лхаасо
Высотные гамма-обсерватории уже ищут короткие вспышки TeV. HAWC установила прямой верхний предел на нейтральные взрывы черных дыр около 3400 на кубический парсек в год локально. LHAASO может подтолкнуть этот прямой предел примерно к 1200 на кубический парсек в год. Эти пределы ослабевают в сценарии с темным зарядом, потому что конечные всплески короче и тусклее при более низких массах, что уменьшает объем поиска.
Чтобы оценить шансы на открытие, команда задает практический вопрос: на какое расстояние прибудет по меньшей мере десять фотонов выше 103 ГэВ от одного события? Это определяет объем поиска. Умножьте на локальную скорость и время наблюдения, и вы получите ожидаемое количество. Простое правило Пуассона затем дает вероятность увидеть хотя бы один. В наиболее перспективном срезе пространства параметров как HAWC, так и LHAASO собирают значимый шанс за десятилетие работы.
Смелое заявление от Amherst
Повествование согласуется с отдельным заявлением из Университета Массачусетса Амхерст, где авторы сообщают о статье в Physical Review Letters. Они утверждают, что шансы могут быть намного лучше, чем один раз в 100 000 лет. «Мы считаем, что есть до 90% шансов стать свидетелями взрыва PBH в ближайшие 10 лет», — говорит Айдан Симонс, соавтор и аспирант по физике в UMass Amherst.
«Мы можем увидеть это с помощью наших современных телескопов, и поскольку единственные черные дыры, которые могут взорваться сегодня или в ближайшем будущем, это ПБХ, мы знаем, что если мы увидим излучение Хокинга, мы увидим взрыв ПБХ», — говорит Хоаким Игуаз Хуан, докторант-исследователь в области физики в Амхерсте.
Андреа Темм, доцент физики в UMass Amherst, добавляет основную логику: «Черная дыра тем легче, чем она должна быть горячее, и чем больше частиц она будет излучать. По мере испарения ПБГ становятся все легче и горячее, испуская еще больше излучения в процессе бегства до взрыва. Это излучение Хокинга, которое могут обнаружить наши телескопы».
Их модель использует «темную модель игрушек с QED», по сути, копию обычного электромагнетизма, включающего тяжелый темный электрон. Майкл Бейкер, также из UMass Amherst, объясняет ключевой поворот. «Мы делаем другое предположение. Мы показываем, что если первичная черная дыра образуется с небольшим темным электрическим зарядом, то модель игрушки предсказывает, что она должна быть временно стабилизирована, прежде чем, наконец, взорваться». Он добавляет измеренную заметку: «Мы не утверждаем, что это обязательно произойдет в этом десятилетии», но вероятность может быть высокой. Послание должно быть готово.
Как важны начальные заряды и параметры
Вы можете задаться вопросом, насколько реалистичным является небольшой начальный темный заряд. Исследование утверждает, что результаты не зависят от одного числа. Если темный электрон очень тяжелый, излучающий его трудно. Аккреция заряда из окружающей среды медленна для крошечных горизонтов, и охлажденный темный сектор оставит мало зарядов, чтобы проглотить в любом случае. Даже допуская распространение начальных зарядов, прогнозируемая скорость взрыва сдвигается только в один раз, пока типичные заряды находятся вблизи значений, которые вызывают сегодняшние разряды.
Полезное эмпирическое правило: критическая масса рождения для «сегодняшнего» взрыва падает, когда темная связь разделена темной электронной массой в квадрате, в то время как она остается значительно ниже нейтрального эталона около 5,6 × 1014 граммов. Более низкая критическая масса означает больше объектов на единицу темной материи, поднимая современные показатели без разрушения космологических границ, потому что квазиэкстремальное плато дрожит мимо выхода фотона.
За пределами одной модели
Другие ручки могут имитировать стойку. Проталкивание спина к предельному пределу, добавление магнитного заряда или вызов дополнительных измерений может замедлить испарение в среднем возрасте и закончиться поздним разрядом. Детали будут отличаться, но основной урок стоит: длинная почти экстремальная пауза изменяет как скорость событий, так и ограничения.
Авторы отмечают края, где вычисления становятся нечеткими — очень сильная темная связь, где теория возмущений напрягается, или углы, где стандартные приближения нарушаются. Эти пределы находятся за пределами широкой области, которая управляет основными прогнозами. Более широкие массовые спреды по-прежнему сохраняют заголовок результата, при условии, что распределение не накапливается далеко выше примерно 2 × 1013 граммов.
Что бы это значило, если бы вы увидели
Одно обнаружение сделало бы сразу три вещи. Это показало бы, что первичные черные дыры существуют. Это бы окончательно подтвердило излучение Хокинга в космосе. И это бы отпечатало каждую частицу легче температуры черной дыры, включая новые, слабо взаимодействующие виды далеко за пределами коллайдера.
Даже нулевой результат, интерпретируемый с помощью этой линзы, вырезал бы глубокие границы темных связей, темных электронных масс и путей формирования ранней Вселенной.
Практические последствия исследования:
Поймав один из этих взрывов, мы подтвердим излучение Хокинга, раскроем первичные черные дыры и опишем частицы света в природе. Данные могут выявить намеки на темные сектора и обострить идеи темной материи. Более строгие ограничения будут направлять модели младенческой вселенной, физики частиц и термодинамики черных дыр.
Обсерватории, такие как HAWC и LHAASO, могут оптимизировать поиски вспышек сейчас, усовершенствовать триггеры временных окон и координировать свои действия с космическими телескопами. Даже не обнаружение после целенаправленных поисков сузит теорию и сфокусирует обновления приборов на наиболее перспективные энергии и временные рамки.
Больше в науке
Плосконоголовый кот, которого когда-то считали «возможно вымершим», впервые за многие годы
Работа также мотивирует новые классификаторы всплесков для коротких событий TeV и оповещений сообщества для координации быстрых последующих действий на длинах волн.
Примечание: статья выше, приведенная выше в The Brighter Side of News.
Как будто эти истории кажутся хорошими? Получите бюллетень «Светлая сторона новостей»
