Исследователи применили проверенную квантовую теорию поля, обычно используемую для изучения малых объектов, к изучению ранней Вселенной. Их выводы показывают, что количество миниатюрных черных дыр (ПЧД) должно быть значительно меньше, чем предполагают большинство моделей. Наблюдения, которые подтвердят это, могут стать возможными в ближайшее время. Эти черные дыры могут быть ключевыми кандидатами на роль темной материи.

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, было проведено учеными из Исследовательского центра ранней Вселенной (RESCEU) и Института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU) Токийского университета.

Возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиардов лет. Она началась с Большого взрыва, быстро расширилась в период инфляции и постепенно перешла от однородного состояния к структурированному. В значительной степени пустая, Вселенная все же значительно тяжелее, чем это можно объяснить видимой материей. Это несоответствие мы называем темной материей, и есть свидетельства того, что она может состоять из старых черных дыр.

Мы называем их первичными черными дырами (ПЧД). Многие исследователи считают, что они могут быть темной материей, но для этого их должно быть много.

После недавних открытий в гравитационно-волновой астрономии были обнаружены слияния двойных черных дыр, что можно объяснить существованием большого количества ПЧД. Однако, несмотря на эти причины, мы пока не видели их напрямую. Теперь у нас есть модель, которая объясняет, почему.

Группа исследователей изучила различные модели образования ПЧД, но обнаружили, что основные модели не согласуются с реальными наблюдениями космического микроволнового фона (CMB). CMB — это своего рода отпечаток, оставшийся после Большого взрыва, и если что-то не соответствует достоверным наблюдениям, это либо не может быть правдой, либо отражает лишь часть картины.

Команда использовала новый подход, чтобы скорректировать модель формирования ПЧД на основе космической инфляции, чтобы она лучше соответствовала текущим наблюдениям и могла быть подтверждена будущими наблюдениями земных обсерваторий гравитационных волн.

Вначале Вселенная была невероятно маленькой, намного меньше атома. Космическая инфляция увеличила её размер на 25 порядков. Волны в этом крошечном пространстве имели большие амплитуды и короткие длины волн. Мы обнаружили, что эти волны могли усиливать более длинные волны, которые мы видим в реликтовом излучении.

Мы считаем, что это связано с когерентностью между ранними короткими волнами, что можно объяснить с помощью квантовой теории поля. В то время как отдельные короткие волны были бы относительно бессильны, сплоченные группы могли бы изменить более длинные волны.

Если ранние мелкомасштабные флуктуации действительно влияют на более крупные флуктуации в реликтовом излучении, это может изменить стандартное объяснение структур во Вселенной. Это также ограничивает другие явления, зависящие от коротких и сильных волн. Вновь на сцену выходят ПЧД.

Широко распространено мнение, что коллапс коротких волн в ранней Вселенной создает ПЧД. Наше исследование предполагает, что ПЧД должно быть гораздо меньше, чем необходимо для темной материи или гравитационных волн.

В настоящее время обсерватории гравитационных волн LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии ведут наблюдения за первыми маленькими черными дырами, вероятно, ПЧД. Результаты этих наблюдений помогут уточнить теорию.