Первичная чёрная дыра

Совместно с черными дырами, которые возникают при естественной эволюции звезд или Галактик, могут существовать черные дыры как первичные образования, появившиеся в ранние космологические времена. Так, при достаточной неоднородности ранней Вселенной, масса существенно меньшая, чем масса большой нейтронной звезды, могла совершить коллапс, с появлением черной дыры.

Имеется значимая причина того, что Вселенная была не изотропна и однородна в очень ранние времена. Эта причина в том, что масса внутри горизонта частицы (мера количества вещества в причинном контакте) стремится к нулю при подходе к начальной сингулярности.

Гипотеза о возникновении первичных черных дыр

Можно предположить, что Галактики возникли при увеличении маленьких неоднородностей в результате гравитационной неустойчивости. В этом случае теория должна включать малые, конечные возмущения (амплитуда примерно 0,01) метрики Фридмана. Эти возмущения в начале расширения Вселенной около сингулярности должны обладать количеством барионов равным числу барионов современных Галактик.

На масштабе, где амплитуда возмущений была равна единице, мог состояться коллапс первоматерии, при котором горизонт событий примерно равен масштабу возмущения. Так, возможно возникали первичные черные дыры, массы которых были от массы Планка и больше.

О возможности существования первичных черных дыр первыми заявили в 1966 году Зельдович и Новиков, позднее в 1971 году Хокинг.

Интерес к первичным черным дырам активизировался после открытия Хокингом квантового испарения черных дыр, имеющих малые массы. Испарение Хокинга представляет особый интерес в связи с:

• его значением в понимании физики процессов на ранних стадиях развития Вселенной;
• реализацией пути регистрации наличия первичных черных дыр.

Теории о первичных черных дырах могут стать решающими в объединении квантовой механики и теорий гравитации.

Первичные черные дыры могли бы помочь объяснить множество загадок ранних этапов развития Вселенной.

Однако, пока нет сведений о наблюдениях, доказывающих сам факт существования первичных черных дыр.

Гипотеза космологического формирования первичных черных дыр

Для совершения коллапса некоторой массы $M$ с образованием черной дыры в ранней Вселенной с высокой температурой, плотность Вселенной ($\rho$) должна быть в два раза больше, чем плотность окружающего массу $M$ вещества, когда Вселенная расширилась достаточно для того, чтобы горизонт частицы (длина $\sim ct$, где $t$ - возраст Вселенной) стал равен размеру массы (длина $\sim (\frac{M}{\rho’})^{\frac{1}{3}}$, где $\rho’ $- плотность вещества Вселенной).

Зная космологическую связь между плотностью Вселенной и ее возрастом:

$\rho’ (\sim Gt^2)^{-1}(1)$,

получим соотношение массы черной дыры, плотности вещества Вселенной и времени ее возникновения:

$M \sim (\frac{c^6}{\rho’ G^3})^{\frac{1}{3}}\sim 10(\frac{t}{10^{-4}}c)M_c (2).$

Ряд авторов предполагают, что минимальная масса первичной черной дыры должна составлять примерно одну массу Солнца ($M_c$).

Были высказаны идеи о том, что первичные черные дыры за время преобладания излучения, могли вырасти до дыр с массами $\sim 10^{16}M_c$ к моменту превращения электронов и протонов в водород при $T \sim 4000 К$.

Позднее Карр и Хокинг определили что:

• первичные черные дыры, вероятно, смогли лишь увеличить свою массу в двое после того, как дыра оказалась внутри своего горизонта событий;
• большое число черных дыр с массами, меньшими $10^{16}M_c$ могут пройти расширение Вселенной без значительного увеличения массы.

Статистические флуктуации плотности первичных черных дыр считаются не связанными с окружающим излучением, в этой связи они могут нарастать за космологические времена и становиться основами для возникновения Галактик и их скоплений.

Первичные черные дыры могут образовывать системы, связанные гравитацией, которые могут эволюционировать, излучая гравитационные волны. Если большая часть всех первичных черных дыр возникает в таких системах, и если каждая система эволюционирует сжимаясь, и слипается в единую дыру при некотором красном смещении, то при этом должно существовать изотропное гравитационное фоновое излучение. Данный фон можно будет проще обнаружить, чем гравитационно-волновой фон, если он не претерпевает красного смещения к частотам меньшим 100 МГц.

Возможность наблюдения первичных черных дыр

В настоящее время внимание большого числа астрофизиков всего мира сконцентрировано на свойствах черных дыр с массами $M \sim 10^{15}г$. Эти дыры испаряются в соответствии с гипотезой Хокинга, за время, которое можно сравнить со временем существования Вселенной.

Была вычислена массы дыры, которая испаряется за настоящее время существования Вселенной, получено: $5\bullet 10^{14} \leq M_h \leq 7\bullet 10^{14}г$. Точная величина $M_h$ связана со спином дыры.

Найдено, что большая часть испаряемой светимости выделяется в виде $\gamma$ - лучей с пиком энергии $\sim 100 MэВ$.

$\gamma$ - излучение можно обнаружить следующими способами:

1. Можно провести детекцию интегрального фона от первичной черной дыры до красного смещения $\sim 1$.
2. Можно пытаться увидеть $\gamma$ - излучение отдельных первичных черных дыр, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга.
3. Наиболее многообещающими считают наблюдение взрыва черной дыры. Когда масса дыры становится меньше $M_h$, излучаемая ей мощность увеличивается как $(-t)^{-\frac{2}{3}}$, где $t$ - время, которое отсчитывают от момента окончательного исчезновения дыры. Остатки массы покоя дыры излучаются при взрыве.

Взрывающаяся черная дыра должна генерировать большое количество электронно-позитронных пар. Данные частицы должны быть быстро остановлены межзвездным магнитным полем. Но в этом случае поле будет сметено и сжато так, что возникнет когерентный импульс электромагнитной волны низкой частоты.

При взрыве дыры с температурой $\sim 10$ ГэВ, может возникать когерентное оптическое излучение.