Žmonija pasiekė tokį mokslo lygį, kad galime užfiksuoti pavienę, itin didelės energijos dalelę iš kosmoso ir kelti klausimą, kurioje Visatos vietoje ji gimė.
Milijardams žmonių tokie dalykai veikiausiai nerūpi, tačiau tiems, kurie iš prigimties yra smalsūs ir turi galimybę pasinerti į šią pažinimo kelionę, 2023 m. užfiksuotas neįtikėtinai energingas neutrino signalas tapo išskirtiniu įvykiu, galbūt net istoriniu.
Kubinio kilometro neutrinų teleskopas KM3NeT šį nepaprastai energingą neutriną aptiko iš savo stebėjimo vietos Viduržemio jūros dugne. Dalelės energija siekė apie 220 PeV, todėl ji buvo galingesnė už bet kurią dalelę, kurią iki šiol sugebėjome sukurti galingiausiame pasaulio dalelių greitintuve – Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų žiede.
Saulė nuolat skleidžia neutrinų srautą, vadinamą saulės neutrinų srautu, tačiau šios dalelės yra palyginti mažos energijos.
Įvykis KM3-230213A, priskiriamas maždaug 100 PeV energijos neutrinams, visiškai nustelbia tipinį saulės neutriną. Skaičiuojama, kad jis buvo maždaug milijardą kartų energingesnis už vidutinį saulės neutriną.
Astrofizikoje nėra daug reiškinių, galinčių taip „įkrauti“ neutriną. Iš tiesų šiuo metu nėra tokio gerai suprantamo objekto ar proceso, kuris iki galo paaiškintų tokio pobūdžio signalą.
Mokslininkai svarsto kelias galimas kilmės versijas: pulsarų varomus optinius tranzientus, gama spindulių žybsnius, tamsiosios medžiagos skilimą, aktyvius galaktikų branduolius, juodųjų skylių susiliejimus ir įvairius scenarijus, susijusius su pirminėmis juodosiomis skylėmis.
Naujas tyrimas, publikuotas mokslo žurnale Physical Review Letters, siūlo dar vieną paaiškinimą, taip pat paremtą pirminėmis juodosiomis skylėmis. Straipsnyje „Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasiextremal primordial black holes“ („PeV energijos neutrinų srautų KM3NeT ir IceCube paaiškinimas kvazieksremaliomis pirminėmis juodosiomis skylėmis“) pagrindinis autorius yra Michaelas Bakeris, Masačusetso universiteto Amherste fizikos docentas.
Autoriai rašo, kad KM3NeT eksperimente neseniai užfiksuotas neutrinų signalas, kurio energija siekia apie 100 PeV, o IceCube detektorius užregistravo penkis neutrinus, kurių energija viršija 1 PeV. Kadangi nėra žinomų astrofizinių šaltinių, galinčių tai paaiškinti, šiuos itin energingus neutrinus, jų teigimu, galėjo pagaminti sprogstančios pirminės juodosios skylės.
Pirminės juodosios skylės (PBH) yra hipotetiniai objektai. Skirtingai nei žvaigždinės masės juodosios skylės, kurioms susidaryti reikia masyvios žvaigždės kolapso, PBH, remiantis teorija, galėjo susiformuoti iškart po Didžiojo sprogimo iš ypač tankių subatominių medžiagos sankaupų, kai Visatos fizikinės sąlygos buvo visiškai kitokios nei dabar.
PBH būtų gerokai mažesnės už žvaigždines juodąsias skyles, tačiau vis tiek neįtikėtinai tankios. Joms galioja ta pati bendroji taisyklė: iš juodosios skylės negali pabėgti niekas, net šviesa. Tačiau PBH turėtų ir kitą su „įprastomis“ juodosiomis skylėmis siejamą savybę – vadinamąją Hokingo spinduliuotę.
Hokingo spinduliuotės idėja teigia, kad juodosios skylės ilgainiui netenka masės, nes jų įvykių horizonte gimstančios dalelės išneša energiją. Jei skylė neįsiurbia pakankamai naujos medžiagos, teoriškai ji turėtų pamažu „išgaruoti“.
Praktiškai daugumos juodųjų skylių atveju Hokingo spinduliuotė yra tokia silpna, kad jos neįmanoma aptikti net jautriausiais teleskopais. Žvaigždinės masės juodosioms skylėms ši spinduliuotė iš esmės nedetektuojama, tačiau daug lengvesnių PBH atveju situacija galėtų būti kitokia.
Vienas tyrimo bendraautorių, UMass Amherst fizikos docentas Andrea Thamm, aiškina: kuo juodoji skylė lengvesnė, tuo ji turėtų būti karštesnė ir tuo daugiau dalelių spinduliuoti.
Garavimo metu PBH masė vis mažėja, todėl ji dar labiau įkaista ir pradeda spinduliuoti dar daugiau dalelių. Procesas tampa tarsi grandininis ir galiausiai baigiasi sprogimu. Būtent tokią, sustiprėjusią Hokingo spinduliuotę, teoriškai ir galėtų užfiksuoti teleskopai.
Garavimo procesui spartėjant, PBH galiausiai pasiekia paskutinį, itin smarkų etapą. Per paskutinę savo egzistavimo sekundę tokia skylė tampa ypač karšta ir „sprogsta“ išgaruodama. Manoma, kad būtent šis finalinis etapas gali išspinduliuoti ypač didelės energijos neutrinus, tokius kaip KM3-230213A.
Skaičiavimai rodo, kad tokie PBH sprogimai galėtų įvykti maždaug kartą per dešimtmetį, o jų metu susidarytų gausybė subatominių dalelių. Tai būtų ne tik žinomos dalelės, pavyzdžiui, elektronai ar kvarkai, bet ir hipotetinės, dar neaptiktos dalelės, taip pat galbūt visiškai nauji, mums kol kas nežinomi dalelių tipai.
Tyrėjų komanda svarsto, kad KM3-230213A galėtų būti pirmasis realus PBH išgaravimo įrodymas. Vis dėlto čia iškyla problema: IceCube neutrinų observatorija šio įvykio neužfiksavo ir apskritai dar niekada nėra stebėjusi neutrinų, prilygstančių KM3-230213A energijai.
Jei PBH sprogimai vyksta maždaug kartą per dešimt metų, kodėl IceCube dar nėra užfiksavęs bent vieno tokio neutrino, jei stebėjimus vykdo jau apie 20 metų?
Mokslininkai teigia, kad sprendimo raktas gali slypėti ne įprastose, o neįprastose PBH savybėse.
Kaip aiškina tyrimo bendraautorius, UMass Amherst fizikos postdoktorantas Joaquimas Iguaz Juanas, komanda mano, jog trūkstamoji grandis gali būti PBH, turinčios vadinamąjį tamsųjį krūvį. Tokias juodąsias skyles tyrėjai vadina kvazieksremaliomis PBH.
Pasak tyrėjų, PBH su tamsiuoju krūviu būtų tarsi labai masyvi hipotetinės dalelės, kartais vadinamos „tamsiuoju elektronu“, versija. Tokios PBH didžiąją savo egzistavimo dalį praleistų kvazieksremalioje būsenoje, kai juodoji skylė yra beveik pasiekusi maksimalų įmanomą krūvio ir masės santykį.
Taip pat pabrėžiama, kad IceCube ir KM3NeT detektoriai sukalibruoti skirtingiems energijų intervalams. IceCube jautrumo riba, teigiama, yra apie 10 PeV, todėl jis fiziškai negali užregistruoti tokių aukštos energijos neutrinų kaip KM3-230213A. Tokia detektoriaus riba galėtų paaiškinti, kodėl IceCube šio įvykio „nematė“.
Bakerio teigimu, papildomas modelio sudėtingumas, įtraukiant tamsųjį krūvį turinčias PBH, iš tiesų sustiprina šio paaiškinimo patikimumą.
„Mūsų tamsiojo krūvio modelis yra sudėtingesnis, tačiau dėl to jis gali būti artimesnis realybei. Įspūdinga matyti, kad šis modelis leidžia paaiškinti reiškinį, kuris kitu atveju atrodytų visiškai nepaaiškinamas“, – teigia Bakeris.
