Co, jeśli wokół nas istnieje mikroskopijny (ale jednak istnieje) dodatek do znanego nam wymiaru przestrzennego? W takim przypadku czarne dziury mogłyby mieć geometrię pięciowymiarową. Fizycy sugerują, że mogłoby to pozwolić im na długotrwałe istnienie, trwające przez miliardy lat, a ich parowanie mogłoby pozostawiać ślady w detektorach cząstek.
Zespół naukowców: Luisa Anchordoquig z Lehman College, Alek Bedroya oraz Dieter Lüst przeprowadził analizę dotycząca narodzin czarnych dziur w hipotetycznym Wszechświecie, w którym istnieje dodatkowy wymiar przestrzenny. Autorzy wskazują, że w takich warunkach pierwotne czarne dziury muszą ostatecznie stać się… pięciowymiarowe. Wyjątek wymagałby fiziologicznej egzotyki i bardzo niskich energii. Praca ta wkrótce ukaże się w czasopiśmie Physical Review D.
Piąty wymiar jako dodatkowy wymiar przestrzenny
W naszym przypadku sprawa jest prosta: mamy trzy wymiary przestrzenne oraz czas, co daje nam razem cztery wymiary. W fizyce istnieje hipotetyczny „ciemny wymiar”, co sugeruje istnienie dodatkowego kierunku przestrzennego, zwiniętego do mikroskopijnych rozmiarów. „Nasza materia” byłaby ograniczona do czterowymiarowej struktury, zwanej braną, która znajduje się w większej przestrzeni. Grawitacja miałaby zaś możliwość rozprzestrzeniania się „poza nią”. Zwinięcie oznacza, że ten dodatkowy kierunek ma bardzo mały, skończony rozmiar, co sprawia, że jego ujawnienie jest poza naszym zasięgiem.
Dla dużej czarnej dziury ten dodatkowy wymiar pozostawałby pomijalny (głównie ze względu na rozmiar), dlatego opis takiej czarnej dziury w czterech wymiarach byłby dla niej całkowicie wystarczający. W tym kontekście ważne jest porównanie rozmiaru dodatkowego wymiaru z promieniem horyzontu zdarzeń, za którym nie może uciec nawet światło. Jeśli horyzont zdarzeń jest znacznie mniejszy od rozmiaru dodatkowego wymiaru, opis czarnej dziury musi uwzględniać również ten „kierunek”.
Pierwotne czarne dziury
Pierwotne czarne dziury to obiekty o szczególnym charakterze, które są z założenia hipotetyczne i miałyby powstawać z lokalnych zagęszczeń energii we wczesnym Wszechświecie, zanim jeszcze pojawiły się pierwsze gwiazdy. Sprzeciwia to się klasycznemu mechanizmowi tworzenia typowych czarnych dziur. Są one postrzegane jako potencjalna część ciemnej materii, której obecność wiemy głównie z powodu oddziaływań grawitacyjnych. W tym kontekście koncentruje się głównie na dwóch mechanizmach tworzenia odpowiednio gęstych obszarów: przejścia fazowe podczas ochładzania się kosmosu oraz zapadanie się strun.
Przejście fazowe to zmiana stanu układu, podobnie jak zamarzanie wody, aczkolwiek w tym kontekście odnosi się do pól i materii młodego kosmosu. W analizowanych warunkach, powstałe czarne dziury byłyby zbyt małe, aby efektywnie zachować czterowymiarową formę. Istnienie w trzech wymiarach przestrzennych oraz jednym czasowym prowadziłoby do niestabilności zjawiska Gregory’ego–Laflamme’a i przekształcałoby się w pięciowymiarowe. Natomiast struny, hipotetyczne liniowe defekty powstałe we wczesnym Wszechświecie, mogłyby tworzyć kurczące się pętle. Zgodnie z analizą autorów, wskutek ich zapadania się powstawałyby obiekty pięciowymiarowe.
Dodatkowy wymiar wydłużałby życie czarnych dziur
Osobliwa geometria wpłynęłaby także na tempo utraty masy. Zgodnie z przewidywaniem Hawkinga, czarne dziury emitują promieniowanie i stopniowo „wyparowują”. Standardowe założenie jest takie: im mniejsza masa, tym wyższa temperatura i szybszy ubytek masy. Dla tych pięciowymiarowych obiektów proces ten przebiegałby wolniej w porównaniu do czarnych dziur czterowymiarowych o tej samej masie.
Co więcej, niektóre czarne dziury powstałe ze strun kosmicznych mogłyby trwać nawet przez całe życie Wszechświata, czyli około 13,8 miliarda lat. Część z nich mogłaby zatem kończyć swoje parowanie właśnie w „naszej” epoce. Nie ustalono jednak jeszcze uniwersalnego czasu życia, ponieważ wyniki zależą od parametrów modelu, w tym od rodzaju cząstek dostępnych w dodatkowym wymiarze. Byłoby wspaniale móc to zaobserwować, ale na chwilę obecną wydaje się to dość nieosiągalne.
W oparach spekulacji
Autorzy analizy wskazują на neutrina o wyjątkowo wysokiej energii, zarejestrowanego przez obserwatorium KM3NeT. Jedna z badanych teorii sugeruje, że parująca czarna dziura mogłaby emitować cząstkę do przestrzeni poza braną. Ta z kolei mogłaby prowadzić do powstania neutrina, które byłoby wykrywalne przez dostępne obecnie detektory. Może to tłumaczyć, dlaczego z tego samego kierunku nie zaobserwowano towarzyszącego, wysokoenergetycznego fotonu.
Czytaj również: Takiej czarnej dziury jeszcze nie złapaliśmy. „To najlepszy przykład w historii”
Wszystko to jednak pozostaje w sferze hipotez, które nie mają jeszcze potwierdzenia. Rejestracja neutrina nie oznacza bezpośredniego zaobserwowania czarnej dziury, a tym bardziej dodatkowego wymiaru. Mimo to, analiza sugeruje taką możliwość: według jednego z dozwolonych modeli, w fizyce wiele rzeczy jest hipotetycznych, co badacze traktują jako normę. Przełomem byłoby wykrycie sygnałów, które potwierdziłyby ten stan rzeczy; niemniej jednak, to czy kiedykolwiek to się wydarzy, stanowi temat na zupełnie inny artykuł.