Група фізиків з коледжу Леман (США) представила теоретичну модель, згідно з якою первинні чорні діри — гіпотетичні об'єкти, що виникли в перші частки секунди після Великого вибуху, — могли пережити 13,8 мільярда років існування Всесвіту завдяки взаємодії з додатковим, п'ятим просторовим виміром. Дослідження, що готується до публікації в журналі Physical Review D, пропонує нове пояснення того, чому частина мікроскопічних чорних дір не випарувалася за космологічні строки, як передбачає стандартна чотиривимірна модель.

Мембранний Всесвіт і прихований вимір

Сучасна теоретична фізика розглядає спостережуваний Всесвіт як чотиривимірну мембрану (брейн), занурену в простір більшої розмірності. У цій картині елементарні частинки та електромагнітне випромінювання жорстко прив'язані до мембрани і не можуть залишити межі чотиривимірного простору. Однак гравітація, за гіпотезою, не підкоряється такому обмеженню: вона здатна «просочуватися» в додаткові виміри. П'ятий вимір, згідно з моделлю, існує у звитому (компактифікованому) стані й має характерний розмір порядку одного мікрона. Ключовий поріг для чорної діри визначається розміром її горизонту подій: якщо він менший за один мікрон, гравітаційне поле об'єкта поширюється вже в п'яти вимірах, перетворюючи його на п'ятимірний об'єкт із принципово іншими властивостями.

Народження первинних чорних дір: два сценарії

На відміну від чорних дір зоряної маси, що утворюються внаслідок колапсу масивних зір, первинні чорні діри сформувалися в перші миті після Великого вибуху з надщільних ділянок матерії. У моделі розглядаються два основні механізми їх утворення. Перший пов'язаний із швидкими фазовими переходами під час стрімкого охолодження раннього Всесвіту: локальні області з аномально високою щільністю колапсували в мікроскопічні чорні діри. Другий механізм передбачає колапс космічних струн — гіпотетичних топологічних дефектів простору-часу, які формували петлі, що стискувалися під власним натягом. У рамках моделі «темного виміру» первинні чорні діри, що виникли з таких струн, від самого початку народжуються вже п'ятимірними, оскільки їхній горизонт подій одразу менший за мікронний поріг.

Нестабільність Грегорі — Лафламми та перехід у п'ятий вимір

Розрахунки, проведені авторами роботи, показали, що навіть чотиривимірні первинні чорні діри, сформовані внаслідок фазових переходів, були б нестабільними. Через так звану нестабільність Грегорі — Лафламми — релятивістський ефект, при якому циліндричні або сферичні об'єкти з малим поперечним розміром втрачають стійкість і «розгортаються» в додатковий вимір, — такі об'єкти швидко трансформувалися б у п'ятимірні. Таким чином, незалежно від конкретного механізму утворення, значна частина первинних чорних дір рано чи пізно опинилася б у п'ятимірному стані.

Замедлене випаровування та виживання за 13,8 мільярда років

Перехід у п'ятий вимір кардинально змінює фізичну еволюцію чорної діри. За механізмом випромінювання Гокінга чорні діри поступово втрачають масу і зрештою випаровуються. Однак п'ятимірні об'єкти випаровуються значно повільніше за своїх чотиривимірних аналогів, оскільки гравітаційне поле розподіляється на більший об'єм простору, знижуючи інтенсивність випромінювання на одиницю поверхні горизонту. Це сповільнення, за розрахунками авторів, достатнє для того, щоб частина первинних чорних дір дожила до нашого моменту — минуло 13,8 мільярда років від моменту Великого вибуху. Саме це робить їх потенційними кандидатами на роль «вічних» чорних дір, про які в популярній науковій пресі заговорили в останні місяці.

Зв'язок із аномальними астрофізичними сигналами

Автори моделі також пропонують пояснення низки аномальних спостережень. Зокрема, фінальна спалах випаровування п'ятимірної чорної діри могла призвести до реєстрації високоенергетичного нейтрино обсерваторією KM3NeT без супутнього фотонного випромінювання — подія, яку важко пояснити в рамках стандартних астрофізичних моделей. Якщо хоча б одна первинна чорна діра буде безпосередньо виявлена, фізики отримають прямий інструмент для дослідження фізичних процесів і вимірів, недоступних безпосередньому спостереженню, включно з перевіркою гіпотез про додаткові виміри та властивості гравітації на субмікронних масштабах.

Суперечливі дані

Кілька аспектів представленої роботи потребують обережної інтерпретації. По-перше, дослідження на момент публікації матеріалу перебуває на стадії підготовки до виходу в Physical Review D, тобто ще не пройшов повний цикл рецензування (peer review), що означає, що висновки можуть бути кориговані в ході експертної оцінки. По-друге, у науковій спільноті не існує єдиного механізму утворення первинних чорних дір: поряд із фазовими переходами та колапсом космічних струн, обговорюваними в цій роботі, інші дослідження (зокрема опубліковані у 2026 році) вказують на можливу роль перших зір у Всесвіті в формуванні первинних об'єктів. Ці механізми не виключають одне одного, але дають різні оцінки маси та кількості первинних чорних дір. По-третє, зв'язок із детектуванням нейтрино обсерваторією KM3NeT є гіпотетичним: автори пропонують його як можливе пояснення, але не стверджують, що конкретна подія однозначно підтверджує п'ятимірну природу джерела. Нарешті, саме існування п'ятого виміру на мікронному масштабі залишається теоретичною гіпотезою, не підтвердженою прямими експериментальними даними.

Значення для фундаментальної фізики

Робота коледжу Леман вписується в ширший контекст пошуку ознак додаткових просторових вимірів, який ведеться на перетині квантової гравітації, космології та астрофізики високих енергій. Якщо п'ятимірні первинні чорні діри дійсно існують і їхнє випаровування можна зареєструвати, це стане першим прямим спостереженням гравітації, що поширюється за межі чотиривимірної мембрани. Це відкриє принципово новий канал для перевірки моделей бранної космології і, можливо, дасть відповідь на питання про природу темної матерії, частина якої в деяких сценаріях може «ховатися» в додатковому вимірі.