Раскрыта природа загадочного космического излучения

Ученые Университета Амстердама и Калифорнийского университета раскрыли, что загадочное диффузное гамма-излучение, испускаемое центром Млечного Пути, может порождаться экзотическими объектами — легкими первичными черными дырами, составляющими большую часть темной материи или ее всю. Статья ученых, в которой обсуждается возможность непосредственного наблюдения излучения Хокинга от этих дыр, опубликована в журнале Physical Review Letters, препринт исследования доступен на сайте arXiv.org.

Одним из кандидатов на роль темной материи могут быть легкие первичные черные дыры (ПЧД), образовавшиеся в ранней Вселенной. Масса ПЧД, которые могут составлять разную долю от всей темной материи во Вселенной, может варьироваться от 10 в 16-й степени грамм до 10 в 35-й степени грамм. Однако в этом диапазоне есть «окно» масс — от 10 в 17-й степени до 10 в 22-й степени грамм, — которые могут иметь ПЧД, составляющие всю темную материю. Такие черные дыры сравнимы по массе с крупными астероидами.

Считается, что любая черная дыра испаряется путем спонтанного излучения Хокинга — потока частиц, которые изначально возникли в составе пар виртуальных частиц почти на самом горизонте событий. Такие пары являются результатом квантовой флуктуации в вакууме и они обычно быстро аннигилируют. Однако близость горизонта событий приводит к тому, что одна из частиц в паре пропадает за горизонтом событий, а другая уносится прочь, порождая излучение Хокинга. Чем черная дыра меньше, тем сильнее она испаряется, поэтому ПЧД должны быть особенно заметными.

Существование ПЧД не доказано, однако исследователи в своей новой работе смогли установить дополнительные ограничения на параметры этих экзотических объектов. Дело в том, что легкие черные дыры с массой астероида должны испускать смесь частиц, состоящую из фотонов мягкого гамма-излучения, электронов и пионов. Испарение ПЧД способно привести к искажениям реликтового излучения, нагреву нейтрального водорода и межзвездной среды в карликовых галактиках. Кроме того, количество ПЧД ограничивается количеством электронов и позитронов в космическом излучении. Наконец, гамма-излучение, производимое черными дырами, не должно превосходить фон диффузного гамма-излучения, чье происхождение не объясняется видимыми источниками. Считается, что причиной такого излучения может быть темная материя, чья природа пока остается неизвестной.

Излучение Хокинга от ПЧД может быть зафиксировано гамма-телескопами, измеряющими лучи с энергией порядка мегаэлектронвольт. Ученые провели анализ данных, собранных гамма-телескопом COMPTEL на борту космической обсерватории CGRO (Compton Gamma Ray Observatory) при наблюдениях диффузного излучения из центральной области Млечного Пути. Оказалось, что эти данные обеспечивают самые строгие из имеющихся ограничений на общую массу составляющих темную материю первичных черных дыр, которые могут наблюдаться гамма-телескопами. Ученые пришли к выводу, что многие из этих инструментов потенциально способны зафиксировать излучение Хокинга от ПЧД, составляющих большую часть темной материи, с массами от 10 в 17-й степени до 10 в 18-й степени грамм.

Александр Еникеев