Наука и Техника

Наука И Техника
4 апреля 2015

Могут ли черные дыры уничтожить Вселенную?

Один из сюрпризов, которые выявил Большой адронный коллайдер, заключается в том, что бозон Хиггса оказался немного тяжелее, чем ожидалось, и это несет определенные последствия для структуры нашего вакуума. Вакуум наполняет поле Хиггса, оно дает частицам их массу, а заполненный Хиггсом вакуум, как считается, должен быть стабильным минимумом потенциала Хиггса. Если Хиггс будет значительно тяжелее, как показывают современные данные, у потенциала будет другой минимум на энергиях, которые ниже настоящего вакуума. Значит, вакуум, который нас окружает, это «ложный вакуум» и он метастабилен, не идеален. Наш ложный вакуум в конечном счете распадется на более низкое энергетическое состояние «истинного вакуума», и этот процесс будет сопровождаться выбросом энергии, которая разорвет все связанные на сегодня частицы материи.

В списке событий, которые заслуживают названия «конец света», «вакуумный распад» идет сразу после «большого сжатия».

Измерив массу Хиггса и другие параметры, определяющие потенциал, можно подсчитать, сколько времени понадобится нашему вакууму для распада. Ложный вакуум распадается с локального туннелирования в истинный вакуум, затем создает пузырь, который быстро расширяется и наполняет всю Вселенную. Когда симметрия Хиггса была нарушена впервые, произошло что-то похожее, что, возможно, привело к доминированию материи над антиматерией во Вселенной.

В нашей нынешней Вселенной время, которое необходимо, чтобы произошло туннелирование, зависит от высоты потенциальной стены между истинным и ложным вакуумом, в котором мы сейчас находимся. Оценки показывают, что из того, что мы знаем о времени этого распада, оно должно быть на несколько порядков больше возраста нашей Вселенной. И даже так, если вакуум в конце концов распадется, это случится после того, как звезды сожгут все топливо и жизнь во Вселенной станет невозможной. Причин для волнения в принципе нет.

Или все-таки есть?

В одной из последних работ на прошлой неделе под названием «Вакуумная метастабильность черных дыр», группа ученых из Великобритании и Канады отметила, что оценка скорости распада вакуума не принимает во внимание, что гравитационные поля могут служить семенами-зародышами вакуумного распада и таким образом значительно увеличивать нестабильность существующего вакуума. В своей работе Бурда, Грегори и Мосс рассчитали вероятность того, что ложный вакуум туннелирует в истинный вакуум, и пришли к выводам, что она намного выше в присутствии черных дыр, нежели в их отсутствии. Используя ряд наборов параметров потенциала Хиггса, сопоставимые с существующими данными, они оценили время распада как грубо сравнимое со временем распада черной дыры посредством излучения Хокинга.

Вероятный процесс туннелирования, который может произойти рядом с черной дырой, зависит от массы черной дыры. Большие черные дыры имеют малую кривизну на горизонте, потому вероятность туннелирования мала, а температура Хокинга низкая. Поскольку черная дыра теряет массу в процессе испарения, температура растет, а вместе с ней и вероятность туннелирования. При большой массе наиболее вероятным состоянием, при котором туннелирует ложный вакуум, будет истинный вакуум с черной дырой, у которой осталось мало массы внутри. Если масса будет достаточно малой, скорее всего, в процессе туннелирования просто возникнет пузырь истинного вакуума. В любом случае истинный ваккум начнет стремительно расти.

Это говорит о том, что там, где скорость распада вакуума больше темпа излучения Хокинга, вакуум может стать нестабильным вблизи края черной дыры — и расшириться внутрь чрезвычайно быстро — когда черная дыра близка к полному испарению.

Сколько времени понадобится черной дыре, чтобы испариться и стать достаточно малой, чтобы запустить вакуумный распад? Это зависит от начальной массы черной дыры. Чем больше черная дыра, тем больше нужно времени. Все черные дыры, которые мы наблюдали — черные дыры с массой солнца и сверхмассивные черные дыры — настолько тяжелые, что в настоящее время вообще не испаряются — их температура ниже температуры космического микроволнового фона. Они не теряют массу, а растут.

Тем не менее было предположение, что малые черные дыры могли образоваться в очень юной Вселенной из крупных колебаний плотности. Эти черные дыры называют «первичными» черными дырами, и они могут обладать любой массой сегодня. Если они существуют, некоторые уже испарились или испаряются сейчас. Сигнатуры этих черных дыр пытались найти, но пока не нашли, хотя есть мнение, что короткопериодичные гамма-всплески могут исходить от таких событий.

Если расчеты нового документа верны, мы можем сделать вывод, что в нашей Вселенной просто не было черных дыр, которые испарились полностью, поскольку в таком случае нас бы больше не было. Поскольку распределение первичных масс черных дыр неизвестно, однако некоторые из них могут быть рядом в финальной стадии испарения, предвещая конец мира, каким мы его знаем.

Звучит ужасно, и это правда. Но есть и другие аргументы.

Во-первых, первичные черные дыры, строго говоря, не особо высоко ценятся среди космологов. Причина в том, что трудно найти модель, согласно которой их можно было бы произвести, не произведя много. Для того чтобы образовать их, Вселенная должна была родиться с флуктуацией плотности на 68% плотнее среднего, в то время как первичные флуктуации, которые мы наблюдаем, на 0,003% плотнее среднего. Что еще более важно, параметры потенциала Хиггса, которые входят в скорость распада вакуума, основаны на предположении, что Стандартная модель представляет собой полную теорию вплоть до масштабов, на которых становится актуальной квантовая гравитация. Но это крайне сомнительно. Более того, многие считают, что это вовсе не так.

Ах да, и как насчет крошечных черных дыр на БАК, которые должны были съесть нашу планету в 2008 году? Нет абсолютно никаких признаков того, что БАК произвел хотя бы одну такую, и сама эта идея кажется весьма сомнительной, хотя исключать ее тоже не стоит. Могут ли эти черные дыры начать вакуумный распад?

На основе текущих расчетов Бурды и его коллег такой вывод сделать нельзя. Не только потому что эти черные дыры БАК будут с большей размерностью, но и сам вакуум должен быть с большей размерностью, а значит и теория будет отличаться. Кажется невероятным, что микроскопические черные дыры, даже если и будут произведены на БАК, могут быть вредными, по вполне понятным причинам: БАК работает в энергетическом режиме, при котором астрофизические столкновения происходят постоянно. Они не порождали событий, которые были бы беспрецедентными в истории Вселенной. Если теорию Бурды раскрыть, она скорее исключит возможность создания черных дыр на БАК с его энергиями.

Работа ученых имеет потенциал для развития в очень плодотворной связи между космологией, астрофизикой и экспериментами на коллайдере, которые мы проводим на Земле.