Черные дыры похожи на акул. Элегантные, простые, более пугающие в народном воображении, чем они того заслуживают.
Сама их чернота затрудняет оценку того, сколько черных дыр населяет космос и насколько они велики. Поэтому было настоящим сюрпризом, когда первые гравитационные волны прогремели через детекторы в обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) в сентябре 2015 года.
Ранее самые большие черные дыры размером со звезду превышали массу Солнца примерно в 20 раз. Эти новые были около 30 солнечных масс каждая - немыслимо, но странно.
Более того, как только LIGO включился и сразу же начал слышать, как подобные объекты сливаются друг с другом, астрофизики поняли, что там должно скрываться больше черных дыр, чем они думали.
Обнаружение этих странных образцов вдохнуло новую жизнь в старую идею, которая в последние годы была отодвинута на второй план. Мы знаем, что умирающие звезды могут образовывать черные дыры. Но, возможно, черные дыры также родились во время самого Большого взрыва.
Скрытая популяция таких «первобытных» черных дыр могла предположительно составлять темную материю. В конце концов, ни одна частица темной материи не показала себя, несмотря на десятилетия поисков. Что, если ингредиенты, которые нам действительно нужны - черные дыры - все время были у нас под носом?
Увы,в 2017 году, надежды канули в лету, после того, как в статье Ясин Али-Хаймуд, астрофизика из Нью-Йоркского университета, исследовалось, как этот тип черной дыры должен повлиять на скорость обнаружения LIGO.
Он подсчитал, что если во Вселенной-младенце образовалось достаточно черных дыр, чтобы учесть темную материю, то со временем эти черные дыры превратятся в бинарные пары, будут вращаться все ближе и ближе друг к другу и сливаться со скоростью, в тысячи раз превышающей то, что наблюдает LIGO.
Он призвал других исследователей продолжить изучение идеи, используя альтернативные подходы. Но многие потеряли надежду.
Однако теперь, после ряда недавних публикаций, идея о первичной черной дыре, похоже, обрела новую жизнь. Карстен Джедамзик, космолог из Университета Монпелье, показал, как большая популяция первичных черных дыр может приводить к столкновениям, которые полностью соответствуют тому, что наблюдает LIGO.
«Если его результаты верны - это забьет последний гвоздь в гроб наших собственных расчетов. Это означало бы, что на самом деле они могли быть всей темной материей»
- сказал Али-Хаймуд.
Первоначальная идея восходит к 1970-м годам, когда работали Стивен Хокинг и Бернард Карр. Хокинг и Карр рассуждали, что в первые доли секунды небольшие колебания ее плотности могли придать удачливым - или неудачливым - регионам слишком большую массу.
Каждая из этих областей рухнет в черную дыру. Размер черной дыры будет определяться горизонтом региона - участком пространства вокруг любой точки, достижимой со скоростью света. Любая материя в пределах горизонта почувствовала бы гравитацию черной дыры и упала бы внутрь.
Грубые расчеты Хокинга показали, что если бы черные дыры были больше, чем маленькие астероиды, они, вероятно, все еще могли бы скрываться во Вселенной сегодня.
Больший прогресс был достигнут в 1990-е годы. К тому времени у теоретиков уже была теория космической инфляции, согласно которой Вселенная испытала взрыв экстремального расширения сразу после Большого взрыва. Инфляция может объяснить, откуда взялись начальные колебания плотности.
Помимо этих флуктуаций плотности, физики также рассматривали ключевой переход, который будет происходить во время коллапса.
Когда Вселенная была новой, вся ее материя и энергия кипели в немыслимо горячей плазме. Примерно после первой стотысячной доли секунды Вселенная немного остыла, и свободные кварки и глюоны плазмы могли соединиться в более тяжелые частицы.
Теперь, когда некоторые из молниеносных частиц оказались в смирительной рубашке, давление упало. Это могло помочь большему количеству регионов превратиться в черные дыры.
Но еще 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 черных дыр. Теоретики не могли сказать, насколько массивными должны быть изначальные черные дыры.
Более того, казалось, что космологам и не нужны были изначальные черные дыры. Астрономические исследования сканировали участки неба в надежде найти море плотных темных объектов, таких как черные дыры, плавающие на окраинах Млечного Пути.
Вместо этого большинство космологов пришли к выводу, что темная материя состоит из сверхмощных частиц, называемых вимпами. И росли надежды, что либо специализированные детекторы WIMP, либо предстоящий Большой адронный коллайдер скоро найдут убедительные доказательства их существования.
Из-за того, что проблема темной материи вот-вот перестанет быть актуальной и никакие наблюдения не говорят об обратном, изначальные черные дыры превратились в академическую заводь.
К сожалению, за прошедшие с тех пор десятилетия не было обнаружено ни вимпов, ни каких-либо новых частиц (кроме давно предсказанного бозона Хиггса). Темная материя остается темной.
Однако сегодня гораздо больше известно об окружающей среде, которая могла породить изначальные черные дыры. Теперь физики могут рассчитать, как давление и плотность возникли бы из кварк-глюонной плазмы в начале Вселенной.
Сначала кварки и глюоны были склеены в протоны и нейтроны. Это вызвало падение давления и могло породить один набор первичных черных дыр. По мере того как Вселенная продолжала охлаждаться, образовывались частицы, такие как пионы, создавая еще один скачок давления и возможный взрыв черной дыры.
Между этими эпохами расширялось само пространство. Первые черные дыры могли засосать около одной солнечной массы вещества из горизонта вокруг себя. Второй раунд мог захватить около 30 солнечных масс - точно так же, как странные объекты, впервые увиденные LIGO.
Через несколько недель после первого объявления о гравитационных волнах от LIGO в 2016 году гипотеза о первичной черной дыре ожила. Но в следующем году Али-Хаймуд выступил со своим аргументом о том, что изначальные черные дыры будут сталкиваться слишком часто, что поставило сторонников перед серьезным препятствием, которое необходимо преодолеть.
Обнаружилось, что изначальные черные дыры действительно образовывали бы двойные системы. Но во Вселенной, изобилующей черными дырами, третья черная дыра часто приближается к исходной паре и меняется местом с одной из них. Этот процесс будет повторяться снова и снова.
Со временем этот переход от партнера к партнеру оставил бы двойные черные дыры с почти круговыми орбитами. Эти партнеры будут невероятно медленными, чтобы столкнуться. Даже огромная популяция первичных черных дыр могла бы сливаться так редко, что вся гипотеза все равно укладывалась в наблюдаемую LIGO скорость слияния.
Также считается, что первичные черные дыры будут располагаться в темных скоплениях, диаметр которых равен расстоянию между Солнцем и ближайшей звездой. Каждое из этих скоплений может содержать около тысячи черных дыр, собранных вместе.
"Бегемоты" будут находиться в центре; обычные дыры заполнили бы остальную часть пространства. Эти скопления будут скрываться везде, где, по мнению астрономов, есть темная материя.
Как и в случае со звездами в галактике или планетами, вращающимися вокруг Солнца, орбитальное движение каждой черной дыры не позволит ей поглотить другую, за исключением тех необычных слияний.
Сторонникам гипотезы о первичной черной дыре предстоит еще многое разъяснить. Большинство физиков по-прежнему считают, что темная материя состоит из некой элементарной частицы, которую чертовски трудно обнаружить.
Обнаружение только одной черной дыры субсолнечной массы - которая должна быть обычным явлением, согласно сценарию первичной черной дыры и которая не может образоваться из звезд - изменило бы весь этот спор.
И с каждым последующим запуском наблюдений LIGO увеличивал бы свою чувствительность, позволяя в конечном итоге либо находить такие маленькие черные дыры, либо устанавливать строгие ограничения на то, сколько их может существовать.
Тем временем другие астрофизики исследуют различные аспекты теории. Например, возможно, самые сильные ограничения на первичные черные дыры исходят от поисков с помощью микролинзирования - тех же самых исследований, которые начались в 1990-х годах.
Так астрономы отслеживают яркие, но далекие источники, ожидая увидеть, проходит ли перед ними темный объект. Эти поиски уже давно исключили равномерно распределенную популяцию маленьких черных дыр.
Но если первичные черные дыры существуют с различными массами и если они упакованы в плотные массивные скопления, эти результаты могут быть менее значительными.
Предстоящие наблюдения могут в конечном итоге разрешить и этот вопрос. Европейское космическое агентство недавно согласилось внести в будущий космический телескоп Нэнси Грейс одну ключевую дополнительную функцию, которая позволила бы ему проводить революционные исследования микролинзирования.
#наука #теория #интересные факты
