Чёрные дыры с памятью: почему они не испарились экспресс
Костёр, который гаснет не сразу, а тлеет часами, потому что дрова внутри ещё хранят жар прошлого пламени. Примерно так работает эффект памяти у чёрных дыр — объектов с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть. Обычно крошечная чёрная дыра, с массой как у горы, должна испариться за доли секунды, разбрасывая частицы, словно искры, через процесс, известный как излучение Хокинга. Но если она «помнит» всё, что поглотила, этот процесс замедляется — и дыра живёт миллиарды лет, дотягивая до наших дней.
Такие выжившие дыры — отличные источники нейтрино, частиц-призраков, которые почти не взаимодействуют с веществом и потому проходят сквозь планеты, не замечая их. Когда дыра испаряется, рождаются нейтрино чудовищных энергий — в миллионы раз больше, чем в самом мощном земном ускорителе.
Поймать их пытаются детекторы вроде IceCube — кубического километра антарктического льда, усеянного датчиками, которые регистрируют слабые вспышки света, возникающие при редких столкновениях нейтрино с атомами льда.
Авторы работы посчитали, какой сигнал оставят дыры с памятью в данных IceCube и будущих установок — IceCube-Gen2 и GRAND200k. Они смоделировали, как нейтрино от испаряющихся чёрных дыр распределятся по энергиям и направлениям, и сравнили с чувствительностью детекторов. Оказалось, что главное — не только средняя масса дыр, но и разброс вокруг неё. Если массы распределены широко, как рост людей в толпе, то лёгкие дыры на краю распределения дают особенно мощный поток нейтрино: они испаряются быстрее и потому излучают интенсивнее.
Это значит, что ограничить такие популяции можно сильнее, чем если бы все дыры были одной массы.
Более того, если будущие детекторы увидят около 30 нейтринных событий, можно будет попытаться различить, однородна ли популяция дыр или разбросана по массе. Оказалось, что доказать разброс проще, чем его отсутствие: для этого нужно меньше данных, потому что широкое распределение оставляет характерный след в спектре нейтрино. Всё это напоминает детектив: мы всматриваемся в лёд и радиоволны, чтобы понять, как устроены невидимые «угли» давно угасшего космического костра.
Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут пролететь сквозь Землю, как свет сквозь стекло. Чтобы поймать хотя бы одно, строят детекторы объёмом в кубический километр.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетные зонды используют чёрные дыры как оружие — но здесь, наоборот, дыры-долгожители становятся маяками, выдающими тайны ранней Вселенной.