Секунда след Големия взрив са създадени черни дупки, бозонни звезди и звезди-канибали

Преди елементите на атомите да се съберат, по-малко от секунда след Големия взрив, ако частиците са се кондензирали в облащи от материя, те може би са колапсирали, създавайки първите черни дупки, бозонни звезди и така наречените звезди-канибали.

Това е заключението на ново проучване, публикувано току-що в Physical Review D, проведено от екип от изследователи от три италиански институти - Международна школа за висши изследвания (SISSA), в сътрудничество с Национален институт за ядрена физика (INFN), Институт по фундаментална физика на Вселената (IFPU), както и Варшавския университет.

Изхождайки от хипотезата, предложена от някои космологични модели, че в най-ранните фази на Вселената е имало кратка "Ранна ера, доминирана от материята" (EMDE - Early Matter-Dominated Era), авторите изследват как частиците може да са взаимодействали помежду си, откривайки, че подобни взаимодействия могат да доведат до изненадващо разнообразие от космически обекти. По този начин изследването показва, че дори в първите мигове след Големия взрив Вселената вече може да е била сцена за богата и сложна физическа феноменология.

Веднага след инфлацията: Какво се е случило след това

Последните постижения в космологията позволяват да се реконструира подробно историята на Вселената, от бързото първоначално разширение, известно като инфлация, до първичния нуклеосинтез, образуването на първите атомни ядра, по-тежки от водорода, което се е случило между 10 секунди и 20 минути след Големия взрив. Междинният период обаче остава до голяма степен неизследван.

Както обясняват авторите, "интригуваща възможност е, че през този интервал материята временно е доминирала във Вселената."

В този сценарий, естествено могат да се образуват облаци от материя. Освен това, ако частиците биха могли да взаимодействат помежду си, тогава тези взаимодействия могат да доведат до гравитационно-топлинен колапс, което да доведе до компактни обекти като черни дупки и други екзотични космически структури.

Странни структури в зората на Вселената

Сред тези компактни обекти, изследователите предполагат, че е възможно да са се образували звезди-канибали. Канибалските звезди са подобни на традиционните звезди, с изключение на това, че захранването им се осъществява от самоунищожението на частиците, а не от ядрен синтез.

В същото време, отбелязват авторите, е възможно да са се образували и бозонни звезди, където квантовата природа на частиците поддържа звездата. Тези звезди може да са населявали новородената вселена само за няколко секунди, преди да колапсират допълнително в първични черни дупки (PBH). Алтернативно, PBH може да са се образували директно от колапса на облаците материя.

Дял на плътността на тъмната материя в първичните черни дупки (PBH) като функция (ƒ_BH) от масата на PBH или M_BH, за фиксиран набор от параметри λ = 10^-1, T _rh = 100 MeV и a _rh/a₁= 10^-15 . Червената линия показва ƒ_BH, приемайки незначителна акреция на черни дупки, докато лилавата линия приема максимална акреция. Ограниченията върху изпаряващите се PBH от космическия микровълнов фон и нуклеосинтезата по време на Големия взрив са показани съответно от сините и зелените области. Вертикалните пунктирани линии маркират праговите маси, необходими на ядрото, за да преодолее канибалното нагряване или налягане от взаимодействието Φ⁴ и да образува черна дупка. Кредит: Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/xpwl-w5zk

Нови хипотези за първичните черни дупки

Според изследването, ореолите (облаци от материя), образувани по време на EMDE, са имали относително малки маси (по-малки от 10²⁸ грама) и след гравитационно-топлинен колапс биха могли да генерират още по-малки първични черни дупки. Използвайки опростен теоретичен модел, изследователите показват, че в някои случаи първичните черни дупки може да са били прекалено много, нарушавайки наблюдателните ограничения; в други могат да се образуват първичните черни дупки с маса на астероид, потенциално обясняващи цялата тъмна материя във Вселената.

Накрая, някои първични черни дупки могат да се изпарят бързо, изчезвайки преди първичната нуклеосинтеза, т.е. преди образуването на леки атоми като водород и хелий.

Нови перспективи за Вселената

Резултатите също така отварят по-широки перспективи. Както авторите заключават:

"Би било интересно да се изследва образуването на звезди-канибали и бозонни звезди в съвременната Вселена чрез колапса на самовзаимодействащи си ореоли от тъмна материя. Освен това, макар и по-спекулативно, изучаването на образуването и натрупването на звезди в прости модели на частици би могло да предостави нови прозрения за сложните астрофизични процеси, които оформят нашата Вселена."

Справка: Pranjal Ralegankar et al, Gravothermalizing into primordial black holes, boson stars, and cannibal stars, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/xpwl-w5zk. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.18948

Източник: Within a second after the Big Bang, particle interactions may have created black holes, boson stars and cannibal stars, International School of Advanced Studies (SISSA)

Още по темата

08/10/2024

Космос

Първичните черни дупки може да се крият в планети, астероиди и тук на Земята

15/08/2024

Космос

Първичните черни дупки могат да изхвърлят звезди и да ги заменят като космически хулигани

29/05/2023

Космос

Възможно да е открита бозонна звезда, звезда, съставена от тъмна материя

22/04/2021

Физика

"Екзотични компактни обекти" скоро могат да разширят физиката