Это была старая идея Стивена Хокинга: невидимые «первичные» чёрные дыры могут быть скрытой тёмной материей. Эта теория потеряла популярность на десятилетия, но новая серия исследований показала, как она работает. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Первичные чёрные дыры группировались бы в отдельные скопления по всей Вселенной. Относительно крупные чёрные дыры были бы окружены гораздо более мелкими.
Введение
Чёрные дыры подобны акулам. Элегантные, простые, в общественном сознании они кажутся страшнее, чем того заслуживают, и, возможно, таятся в глубоких, тёмных местах вокруг нас.
Сама их чернота затрудняет оценку количества и размера чёрных дыр в космосе. Поэтому для астрофизиков стало настоящим сюрпризом, когда в сентябре 2015 года первые гравитационные волны пронзили детекторы Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Ранее самые большие чёрные дыры размером со звёздную массу достигали массы, примерно в 20 раз превышающей массу Солнца. Масса этих новых чёрных дыр составляла около 30 солнечных масс — не то чтобы невероятно, но странно. Более того, как только LIGO включилась и сразу же начала слышать, как подобные объекты сливаются друг с другом, астрофизики поняли, что чёрных дыр, должно быть, больше, чем они предполагали. Возможно, гораздо больше.
Открытие этих странных образцов вдохнуло новую жизнь в старую идею, которая в последние годы была отодвинута на второй план. Мы знаем, что умирающие звёзды могут создавать чёрные дыры. Но, возможно, чёрные дыры также рождались во время самого Большого взрыва. Скрытая популяция таких «первичных» чёрных дыр, вероятно, может составлять тёмную материю, скрытый указательный палец в космических масштабах. В конце концов, ни одна частица тёмной материи не проявилась, несмотря на десятилетия поисков. Что, если ингредиенты, которые нам действительно нужны — чёрные дыры — всё это время были у нас под носом?
«Да, это была безумная идея», — сказал Марк Камионковски, космолог из Университета Джонса Хопкинса, чья группа опубликовала в 2016 году одну из многих броских статей, исследующих эту возможность. «Но она не обязательно была безумнее всего остального».
Увы, заигрывание с первичными чёрными дырами угасло в 2017 году после статьи Ясина Али-Хаймуда, астрофизика из Нью-Йоркского университета, ранее входившего в команду оптимистичного Камионковски, в которой он исследовал, как этот тип чёрных дыр может повлиять на скорость обнаружения LIGO. Он рассчитал, что если молодая Вселенная породит достаточно чёрных дыр, чтобы объяснить тёмную материю, то со временем эти чёрные дыры будут образовывать двойные пары, вращаться всё ближе и ближе друг к другу и сливаться со скоростью, в тысячи раз превышающей ту, которую наблюдает LIGO. Он призвал других исследователей продолжить изучение этой идеи, используя альтернативные подходы. Но многие потеряли надежду. Аргумент был настолько убийственным, что, по словам Камионковски, он сам охладил интерес к этой гипотезе.
Однако теперь, после серии недавних статей, идея первичных чёрных дыр, похоже, снова ожила. В одной из последних, опубликованной на прошлой неделе в журнале «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics», Карстен Джедамзик, космолог из Университета Монпелье, показал, как большая популяция первичных чёрных дыр может приводить к столкновениям, которые идеально соответствуют наблюдениям LIGO. «Если его результаты верны — а, похоже, он провёл тщательный расчёт, — это вобьёт последний гвоздь в гроб наших собственных расчётов», — сказал Али-Хаймуд, который продолжил исследовать идею первичных чёрных дыр и в последующих статьях. «Это означало бы, что на самом деле они могут быть всей тёмной материей».
«Это захватывающе», — сказал Кристиан Бирнс, космолог из Университета Сассекса, вдохновивший Джедамзика на некоторые из его рассуждений. «Он продвинулся дальше, чем кто-либо до него».
Первоначальная идея восходит к 1970-м годам, когда Стивен Хокинг и Бернард Карр представили свои работы. Хокинг и Карр предположили, что в первые доли секунды существования Вселенной небольшие флуктуации её плотности могли наделить удачные — или неудачные — области избыточной массой. Каждая из этих областей схлопнулась бы в чёрную дыру. Размер чёрной дыры определялся бы горизонтом области — участком пространства вокруг любой точки, достижимой со скоростью света. Любая материя в пределах горизонта испытала бы гравитацию чёрной дыры и упала бы в неё. Грубые расчёты Хокинга показали, что если чёрные дыры были бы больше небольших астероидов, они, вероятно, всё ещё могли бы скрываться во Вселенной сегодня.
Дальнейший прогресс наступил в 1990-х годах. К тому времени теоретики также разработали теорию космической инфляции, согласно которой Вселенная испытала экстремальное расширение сразу после Большого взрыва. Инфляция могла бы объяснить, откуда взялись начальные флуктуации плотности.
Помимо этих флуктуаций плотности, физики также рассмотрели ключевой переход, который мог бы способствовать коллапсу.
Когда Вселенная была молодой, вся её материя и энергия бурлили в немыслимо горячей плазме. Примерно через первую стотысячную долю секунды Вселенная немного остыла, и свободные кварки и глюоны плазмы смогли объединиться в более тяжёлые частицы. Когда некоторые сверхбыстрые частицы оказались заперты вместе, давление упало. Это могло способствовать коллапсу большего количества областей в чёрные дыры.
Но в 1990-х годах никто не понимал физику жидкости, состоящей из кварков и глюонов, достаточно хорошо, чтобы делать точные прогнозы о том, как этот переход повлияет на образование чёрных дыр. Теоретики не могли сказать, насколько массивными должны быть первичные чёрные дыры или сколько их следует ожидать.
Более того, космологам, похоже, не особо нужны были первичные чёрные дыры. Астрономические исследования сканировали участки неба в надежде обнаружить море плотных тёмных объектов, подобных чёрным дырам, дрейфующих на окраинах Млечного Пути, но их оказалось немного. Вместо этого большинство космологов пришли к убеждению, что тёмная материя состоит из сверхмалых частиц, называемых вимпами (WIMP). И теплилась надежда, что либо специально созданные детекторы вимпов, либо будущий Большой адронный коллайдер вскоре обнаружат неопровержимые доказательства их существования.
Поскольку проблема тёмной материи была на грани закрытия, а наблюдения не указывали на обратное, первичные чёрные дыры превратились в академическую пустыню. «Один ведущий космолог как-то высмеял меня за работу над этим», — сказал Джедамзик, чей интерес к этой теме восходит к 1990-м годам. «Поэтому я забросил эту тему, потому что мне нужно было найти постоянную должность».
Конечно, за прошедшие десятилетия ни вимпов, ни новых частиц (кроме давно предсказанного бозона Хиггса) обнаружено не было. Тёмная материя остаётся тёмной.
Однако сегодня известно гораздо больше о среде, в которой могли образоваться первичные чёрные дыры. Теперь физики могут рассчитать, как давление и плотность могли эволюционировать из кварк-глюонной плазмы в начале зарождения Вселенной. «Сообществу потребовались десятилетия, чтобы разобраться в этом», — сказал Бирнс. Обладая этой информацией, теоретики, такие как Бирнс и Хуан Гарсия-Беллидо из Автономного университета Мадрида, последние несколько лет опубликовали исследования, предсказывающие, что ранняя Вселенная могла породить не один размер чёрной дыры, а целый ряд чёрных дыр.
Сначала кварки и глюоны склеились, образовав протоны и нейтроны. Это вызвало падение давления и, возможно, породило один набор первичных чёрных дыр. По мере охлаждения Вселенной образовались такие частицы, как пионы, что привело к ещё одному падению давления и возможному взрыву чёрных дыр.
Между этими эпохами расширялось само пространство. Первые чёрные дыры могли поглотить из окружающего их горизонта вещество, равное примерно одной солнечной массе. Вторая волна могла поглотить, вероятно, около 30 солнечных масс — точно так же, как странные объекты, впервые обнаруженные LIGO. «Нам на помощь пришли гравитационные волны», — сказал Гарсия-Беллидо.
Всего через несколько недель после первого объявления о гравитационных волнах от LIGO в 2016 году гипотеза первичных чёрных дыр вновь ожила. Однако в следующем году Али-Хаймуд выступил с утверждением, что первичные чёрные дыры будут сталкиваться слишком часто, что создало для её сторонников серьёзное препятствие.
Джедамзик принял вызов. Во время долгого отпуска в Коста-Рике он разобрался с аргументами Али-Хаймуда. Али-Хаймуд выполнил свою работу аналитически, с помощью уравнений. Но когда Джедамзик провёл численное моделирование той же задачи, он обнаружил неожиданный поворот.
Первичные чёрные дыры действительно образуют двойные системы. Но Джедамзик пришёл к выводу, что во Вселенной, кишащей чёрными дырами, третья чёрная дыра часто приближается к исходной паре и меняется с одной из них местами. Этот процесс повторяется снова и снова.
Со временем этот переход от партнёра к партнёру привёл бы к появлению двойных чёрных дыр с почти круговыми орбитами. Эти партнёры столкнулись бы невероятно медленно. Даже огромная популяция первичных чёрных дыр слилась бы так редко, что вся гипотеза всё равно укладывалась бы в наблюдаемую LIGO скорость слияний.
Одно плечо детектора LIGO, расположенного в Ливингстоне, штат Луизиана.
В июне этого года он опубликовал свою работу в интернете, отвечая на вопросы внешних экспертов, таких как сам Али-Хаймуд. «Было очень важно убедить сообщество, насколько это возможно, в том, что вы не просто несёте какую-то чушь», — сказал Джедамзик, используя более категоричное слово, чем «чушь».
Он также опирался на работу, предсказавшую, что первичные чёрные дыры будут находиться в тёмных скоплениях, диаметр которых примерно равен расстоянию между Солнцем и ближайшей звездой. Каждое из этих скоплений может содержать около тысячи чёрных дыр, сгруппированных вместе. Гиганты массой в 30 солнечных масс будут располагаться в центре; более распространённые, меньшие по размеру, заполнят остальное пространство. Эти скопления будут таиться везде, где, по мнению астрономов, находится тёмная материя. Как и в случае со звёздами в галактике или планетами, вращающимися вокруг Солнца, орбитальное движение каждой чёрной дыры не позволит ей поглотить другую, за исключением тех редких слияний.
Во второй статье Джедамзик точно рассчитал, насколько редкими должны быть эти слияния. Он выполнил расчёты для больших чёрных дыр, наблюдавшихся LIGO, и для меньших, которые не наблюдались. (Маленькие чёрные дыры испускали бы слабые высокочастотные сигналы и должны были бы находиться близко, чтобы их можно было обнаружить.) «Я, конечно, был поражён, увидев, что одно за другим я правильно рассчитал частоту слияний», — сказал он.
Сторонникам гипотезы первичных чёрных дыр ещё предстоит многое убедить. Большинство физиков по-прежнему считают, что тёмная материя состоит из некой элементарной частицы, которую чертовски сложно обнаружить. Более того, чёрные дыры, обнаруженные LIGO, не слишком отличаются от того, что мы ожидали бы, если бы они образовались из обычных звёзд. «Это как бы заполняет пробел в теории, которого на самом деле нет», — сказал Карл Родригес, астрофизик из Университета Карнеги-Меллона. «В некоторых источниках LIGO есть странности, но мы можем объяснить всё, что мы наблюдали до сих пор, с помощью обычного процесса эволюции звёзд».
Сельма де Минк, астрофизик из Гарвардского университета, которая набросала теории о том, как звезды в одиночку могут создавать тяжелые двойные черные дыры, наблюдаемые LIGO, более прямолинейна: «Я думаю, астрономы могут немного посмеяться над этим».
Обнаружение хотя бы одной чёрной дыры субсолнечной массы — которая, согласно сценарию первичных чёрных дыр, должна быть распространённой и которая не может образоваться из звёзд — перевернуло бы всю эту дискуссию. С каждым последующим циклом наблюдений LIGO повышала свою чувствительность, что позволило бы ему либо обнаружить такие малые чёрные дыры, либо установить строгие ограничения на их количество. «Это не одна из историй, подобных теории струн, где через десять или тридцать лет мы, возможно, всё ещё будем обсуждать её правильность», — сказал Бёрнс.
Тем временем другие астрофизики изучают различные аспекты этой теории. Например, пожалуй, самые серьёзные ограничения на существование первичных чёрных дыр накладывают исследования методом микролинзирования — те самые исследования, которые начались в 1990-х годах. В ходе этих исследований астрономы наблюдают за яркими, но удалёнными источниками, ожидая, не пройдёт ли перед ними тёмный объект. Эти исследования давно исключили возможность существования равномерно распределённой популяции малых чёрных дыр.
Но если первичные черные дыры существуют в диапазоне масс и упакованы в плотные, массивные скопления, эти результаты могут оказаться менее значимыми, чем полагали исследователи, сказал Гарсия-Беллидо.
Предстоящие наблюдения могут в конечном итоге ответить и на этот вопрос. Европейское космическое агентство недавно согласилось предоставить важную дополнительную функцию для будущего космического телескопа НАСА «Нэнси Грейс Роман», которая позволит проводить новаторские исследования с помощью микролинзирования.
Это дополнение было сделано по просьбе Гюнтера Хазингера, научного директора ЕКА, который доказал, что первичные чёрные дыры могут объяснить множество загадок. Хазингеру эта идея нравится, поскольку она не требует появления новых частиц или новых физических теорий. Она лишь переосмысливает старые элементы.
«Я верю, что некоторые из загадок, которые все еще существуют, могут разрешиться сами собой, — сказал он, — если взглянуть на них другими глазами».
Эта статья была перепечатана на Wired.com .
Источник: www.quantamagazine.org
