Губка, брошенная в ведро с водой, жадно впитывает влагу и разбухает на глазах. Но если воду постоянно доливать, а губку то сжимать, то отпускать, впитывание становится сложнее и длится дольше. Примерно так вели себя крошечные чёрные дыры в самом начале жизни Вселенной.
Эти дыры — не остатки звёзд, а сгустки сверхплотного вещества, возникшие из случайных уплотнений в первые мгновения после Большого взрыва. Их называют первичными чёрными дырами. Они появились ещё до того, как Вселенная остыла настолько, чтобы смогли сложиться первые атомные ядра (эпоха нуклеосинтеза). Вокруг них в это время бушевало особое поле — инфлатон, — которое раскачивалось и постепенно распадалось, превращаясь в горячий «бульон» из частиц и излучения. Этот период называют разогревом.
Авторы работы построили полную картину жизни такой дыры в этом меняющемся окружении. Они связали начальные условия напрямую с данными наблюдений реликтового микроволнового фона (того самого «эха» Большого взрыва, которое ловят спутники). Затем они рассчитали, как дыра всасывает вещество из колеблющегося поля и растущего вокруг неё горячего облака. Оказалось, что совместное воздействие поля и излучения приводит к очень резкому, нелинейному росту массы дыры. Проще говоря, дыра раздувается гораздо сильнее, чем если бы она просто поглощала излучение.
Этот дополнительный рост кардинально меняет судьбу дыры. Крошечные чёрные дыры испаряются, излучая энергию (это называется излучением Хокинга). Время жизни такой дыры зависит от её массы, причём очень круто: увеличьте массу вдвое — и проживёт она в восемь раз дольше. Те дыры, что изначально были обречены быстро исчезнуть, после «подкормки» полем и излучением доживают до гораздо более поздних времён, когда Вселенная уже заполнена обычным веществом и светом. А раз они живут дольше, то и излучают дольше, порождая в пространстве-времени рябь — гравитационные волны. Этот стохастический (случайный) гравитационно-волновой фон, по расчётам, усиливается в сотни и тысячи раз. Его следы могут попытаться уловить существующие и будущие детекторы гравитационных волн. Так история крошечной дыры, пережившей юность мироздания, может рассказать нам о самых первых мгновениях Вселенной.
Если бы первичная чёрная дыра с массой небольшого астероида оказалась рядом с Землёй, она бы испарилась за долю секунды, но успела бы выделить энергию, сравнимую со взрывом миллионов водородных бомб.
В сериале «Звёздный путь: Вояджер» экипаж использует квантовые сингулярности (по сути, микроскопические чёрные дыры) как источник энергии для двигателей.