Нейтрино часто называют «призрачными частицами» за их неуловимый характер: они распространены повсеместно, но практически не взаимодействуют с веществом. Недавно в обсерватории KM3NeT, расположенной на дне Средиземного моря, зафиксировали нейтрино с энергией более 100 петаэлектронвольт — величина, которая в сотни раз превосходит то, что удаётся достичь в земных ускорителях. Источник столь мощной частицы пока не установлен, и именно здесь команда MIT предложила объяснение.
Первичные чёрные дыры — это гипотетические объекты, которые могли образоваться сразу после Большого взрыва. В отличие от массивных чёрных дыр в центрах галактик они микроскопические, но подчиняются тем же законам физики. Согласно теории Стивена Хокинга, такие объекты постепенно испаряются, теряя массу и излучая частицы. Чем меньше становится чёрная дыра, тем горячее она становится и тем более энергичные частицы выбрасывает. Финальная стадия должна заканчиваться катастрофическим всплеском — коротким выбросом колоссального числа высокоэнергичных частиц, включая нейтрино.
Авторы работы рассчитали, что если первичные чёрные дыры составляют основную часть тёмной материи, то сейчас в нашей галактике должна существовать небольшая популяция объектов, завершающих своё существование. Взрыв в окрестностях Солнечной системы мог выбросить поток частиц, и часть из них достигла детектора на Земле. Приблизительные оценки показывают, что в последние мгновения жизни микроскопическая чёрная дыра, размером меньше атома, должна испускать порядка 10²⁰ нейтрино с энергией около 100 ПэВ — именно таких, какие были зафиксированы KM3NeT.
Эти данные помогают объяснить расхождение между наблюдениями KM3NeT и южнополярного детектора IceCube. Последний за последние годы зарегистрировал всего несколько нейтрино с аномально высокими энергиями, но их количество и частота не согласуются с событием такого масштаба, как у KM3NeT. Модель MIT показывает, что раз в несколько десятилетий может происходить локальный взрыв первичной чёрной дыры, дающий редкие, но крайне яркие сигналы. Вероятность появления события подобного масштаба неподалёку от нас оценивается примерно в 8 процентов раз в 14 лет.
Если гипотеза верна, это означало бы сразу два открытия: существование первичных чёрных дыр как компоненты тёмной материи и первые наблюдательные свидетельства излучения Хокинга. Подтверждение возможно лишь при накоплении большего числа событий на энергиях в десятки и сотни петаэлектронвольт, что позволит собрать статистику и исключить случайность.
Авторы подчёркивают, что именно самые малые чёрные дыры — лучший шанс когда-либо зарегистрировать излучение Хокинга. Для этого необходимо продолжать работу нейтринных обсерваторий и искать повторяющиеся всплески. Если удастся поймать ещё несколько подобных сигналов, можно будет говорить о прямом подтверждении одного из фундаментальных предсказаний физики чёрных дыр.