Фізики коледжу Лемана запропонували чудову теорію, згідно з якою первісні чорні діри з раннього Всесвіту можуть бути доказом існування прихованого п’ятого виміру за межами нашого спостережуваного Всесвіту.
Публікуючи свої висновки в журналі Physical Review D, дослідники припускають, що ці крихітні чорні діри, створені відразу після Великого вибуху, мають гравітаційне тяжіння, яке може поширюватися в те, що вони називають «темними вимірами».
Їхні розрахунки показали, що якби такий п’ятий вимір існував, будь-яка первинна чорна діра мала б п’ятивимірні властивості, а не чотиривимірні властивості звичайних чорних дір. Теоретично ці екзотичні об’єкти можуть існувати в сучасному Всесвіті, а тривалість їхнього життя відповідає 13,8 мільярдам років Всесвіту.
Дослідники навіть припустили, що їхня теорія може пояснити «частинки-привиди» надзвичайно високої енергії, зафіксовані детектором нейтрино KM3NeT у Середземному морі у 2023 році.
На додаток до традиційних розмірів висоти, ширини, глибини та часу, які визначають наш повсякденний досвід, фізики-теоретики припустили, що існує додатковий вимір простору, який неможливо безпосередньо спостерігати.
Щоб проілюструвати цю концепцію, дослідницька група пропонує аналогію: розглянемо графік, намальований на плоскій сторінці. З точки зору персонажа, є лише три виміри – довжина, ширина та прогресування в часі. Не маючи змоги відірватися від сторінки, їм буде важко зрозуміти концепцію висоти.
Подібним чином наш Всесвіт може діяти як чотиривимірний аркуш, або «брана», висловлюючись науковою мовою, вбудований у більший п’ятивимірний простір, який називається «об’єм».
У нашій чотиривимірній структурі цей додатковий вимір становить лише мікрон завширшки — приблизно одну десяту ширини еритроциту. Хоча немає прямих доказів існування такого «темного виміру», багато теоретичних основ, що стосуються електромагнетизму та гравітації, пропонують кращу математичну послідовність при включенні п’ятого виміру.
Справжня інтрига починається при розгляді того, як надзвичайно компактний, але гравітаційно потужний об’єкт, такий як первісна чорна діра, може взаємодіяти з такою додатковою площиною вимірів.
Традиційні чорні діри виникають, коли масивна зірка, масою від десятків до сотень Сонця, вичерпує своє ядерне паливо та зазнає гравітаційного колапсу, утворюючи надщільний залишок.
Навпаки, первісні чорні діри виникли через зовсім інший механізм. Вчені припускають, що ці об’єкти виникли безпосередньо з турбулентного, швидко охолоджуваного матеріалу, який утворив Всесвіт, що зароджувався, протягом частки секунди після Великого вибуху — задовго до того, як утворилися будь-які зірки.
Масовий діапазон цих стародавніх предметів величезний. Найменший може важити в 100 000 разів менше, ніж скріпка, тоді як найбільший може важити більше, ніж маса сонця.
Хоча первісну чорну діру досі не виявили за допомогою прямих спостережень, вона є потенційним поясненням темної матерії – загадкової речовини, яка становить 27% загальної маси та енергії Всесвіту.
Вважається, що вони утворилися з надто щільних областей у ранньому Всесвіті, що робить їх ключовими кандидатами для розуміння відсутньої матерії у Всесвіті.
Команда Lehman School вивчила два різні сценарії утворення первісної чорної діри в п’ятивимірній структурі.
Згідно з першою гіпотезою, ці об’єкти виникли в надзвичайно щільних регіонах раннього Всесвіту, які зазнали гравітаційного колапсу, коли температура Всесвіту впала. Розрахунки дослідників показують, що хоча такі чорні діри спочатку демонстрували б чотиривимірну поведінку, їхній крихітний розмір дестабілізував би цю структуру, змушуючи їх перетворюватися на п’ятивимірні сутності.
Другий шлях формування включає космічні струни — теоретичні одновимірні дефекти в тканині простору-часу, створені під час фазових переходів у охолоджуваному ранньому Всесвіті, подібні до тріщин, які утворюються в замерзаючій воді. Коли ці петлі космічних струн зближуються, вони можуть колапсувати прямо в чорні діри до появи будь-якої зоряної структури.
Згідно з математичним аналізом команди, первісні чорні діри, отримані з космічних струн, були п’ятивимірними з самого початку.
Тому, якщо темні виміри дійсно існують, усі первісні чорні діри повинні зберігати п’ятивимірні властивості через їх надзвичайно малий розмір.
Хоча п’ятивимірні чорні діри здаються цілком теоретичними, команда підкреслює, що ця гіпотеза дає перевірені передбачення щодо явищ, які можна спостерігати.
Важливо те, що чорні діри з п’ятивимірними властивостями випаровуються набагато повільніше, ніж чотиривимірні чорні діри. Розрахунки дослідників показують, що первісна чорна діра, утворена колапсом космічних струн, може проіснувати в масштабі часу, еквівалентному всій історії Всесвіту тривалістю 13,8 мільярда років.
Цей подовжений термін життя означає, що ці об’єкти все ще можуть бути навколо нас у цей час, зрештою зникаючи у вигляді спалахів частинок, коли вони випаровуються.
Вчені припустили, що їхня модель потенційно може пояснити нейтрино високої енергії, виявлені в 2023 році інструментом KM3NeT глибоко у водах Середземного моря. Випаровування п’ятивимірної первісної чорної діри може вивільнити такі потужні частинки з, здавалося б, порожніх областей космосу.
Однак дослідники визнають, що це конкретне пояснення далеко виходить за рамки того, що можуть однозначно підтвердити поточні можливості спостереження.