Гравитационные волны, связанные с столкновением двух нейтронных звезд, могли быть созданы чем-то более странным
За почти пять лет с момента их первого непосредственного обнаружения гравитационные волны стали одной из самых горячих тем в астрономии. С помощью таких средств, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), исследователи в основном использовали эту рябь в пространстве-времени для изучения внутренней работы сливающихся черных дыр, но LIGO также обнаружил гравитационные волны от других видов небесных сбоев, таких как столкновения сверхплотных звездных остатков, называемых нейтронными звездами. Однако иногда LIGO подает гравитационные волны, которые оставляют астрономам ломать их головы - как это было в случае GW190425, события, обнаруженного в апреле прошлого года, который недавно был приписал слиянию нейтронных звезд.
Проблема в том, что данные LIGO предполагают, что эта пара нейтронных звезд была существенно избыточной - в совокупности она примерно в 3,4 раза превышает массу Солнца, что на половину массы Солнца тяжелее, чем у самых массивных двойных нейтронных звезд, которые когда-либо видели. «Он самый тяжелый из известных с довольно большим отрывом», - говорит Чед Ханна, астрофизик из Университета штата Пенсильвания, который охотится на гравитационные волны.
У этого дополнительного веса есть некоторые теоретики, подозревающие, что GW190425 возник не из-за столкновения нейтронных звезд, а скорее из-за чего-то более экзотического: слияние двух первичных черных дыр (ПЧД), никогда ранее не встречавшихся объектов, которые считаются кандидатом в темную материю для темной лошади - невидимое, неопознанное нечто , составляющее большую часть материи во вселенной. Теоретически сформировавшиеся из-за флуктуаций плотности в очень ранней Вселенной, эти древние черные дыры могли существовать и сегодня и могли бы объяснить расхождение массы, выявленное в недавних наблюдениях LIGO.
Почти полвека назад космолог Стивен Хокинг предположил, что ПЧД могли образоваться полностью из областей младенческой вселенной, которые были особенно плотны с веществом. С тех пор популярность этой идеи среди астрофизиков и космологов резко возросла и уменьшилась. Сегодня, в отсутствие прямых доказательств их существования, многие исследователи рассматривают ПЧД как гипотезу последней инстанции, которую следует рассматривать только тогда, когда ни один другой сценарий не подходит под наблюдения. Однако нельзя отрицать возможность того, что ПЧД реальны и широко распространены во всей вселенной, особенно в связи с тем, что поиски других кандидатов в темную материю оказываются пустыми.
ПЧД делают привлекательным кандидатом на темную материю по нескольким причинам, но самая важная из них заключается в том, что, будучи черными дырами, они довольно темные, но все еще обладают значительным гравитационным притяжением. Несмотря на этот факт, Ханна говорит, что если бы ПЧД было достаточно, чтобы составлять всю темную материю вселенной, то астрономические исследования, которые охотились за ними, не должны были бы быть пустыми. Следовательно, добавляет он, ПЧД могут составлять лишь небольшую часть темной материи - если они вообще существуют.
Не все согласны. «Изначальные черные дыры могут включать в себя всю темную материю», - говорит Хуан Гарсия-Беллидо, теоретик-космолог из Автономного университета Мадрида. Хитрость, добавляет он, заключается в том, что древние предметы демонстрируют множество масс, а не единый окончательный размер. Если ПЧД будут управлять гаммой от тысячи раз меньше, чем Солнце, до миллиарда раз больше, они могут составить всю темную материю вселенной. «Все опубликованные ограничения, которые утверждают, что исключают изначальные черные дыры, поскольку темная материя предполагают, что они существуют в монохроматическом или одномасс-спектре и равномерно распределены в пространстве», - говорит Гарсия-Беллидо. Для проявления таких больших диапазонов масс ПЧД должны были бы объединяться в компактные группы, в которых они могли бы иногда сталкиваться, сливаться и увеличиваться в размерах.
Поскольку ПЧД были бы созданы вскоре после большого взрыва, они изначально могли легко соединиться друг с другом. Ранняя вселенная была гораздо меньшим местом, чем сегодня, после резкого расширения в течение почти 14 миллиардов лет, что облегчало объектам поиск других ПЧД и их соединение с ними. Однако по мере расширения Вселенной и появления первых звезд и галактик эти связи становились все более редкими. Таким образом, хотя возможно, что LIGO наблюдал слияние ПЧД, это маловероятно, по мнению астронома Катерины Чатзианоану, члена команды LIGO в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке и соавтора исследования, которое появится в Астрофизическом журнале Letters, что колышки GW190425 как произведение сталкивающихся нейтронных звезд.
В апреле прошлого года, получив предупреждение LIGO об обнаружении GW190425, телескопы по всему миру охотились за соответствующим электромагнитным сигналом, который, как правило, можно ожидать от взрывного столкновения двух нейтронных звезд. Но небо оставалось темным, как если бы пара изначальных черных дыр сгорела вместе. «Мы не ожидали, что какой-либо свет выйдет из слияния двух исконных черных дыр», - говорит Чатциоанну. Несмотря на это, добавляет она, отсутствие света не исключает нейтронных звезд. У массивных нейтронных звезд могло быть относительно спокойное слияние, коллапсирующее прямо в черную дыру, прежде чем зажечь любой небесный фейерверк. Также возможно, что местоположение события в небе могло быть откуда-то, что земные телескопы не могли исследовать, например, в области за солнцем.
Новейшие наблюдения дают только дразнящие намеки на то, что ПЧД могут быть там, иногда собираясь вместе в космической темноте. Более четкая подпись будет исходить из пары черных дыр, каждая из которых весит меньше солнца. «Если вы обнаружите черную дыру под массой Солнца, это, по крайней мере, происходит от механизма, который никто не предсказал, астрофизически, вне первичной черной дыры», - говорит Ханна. Гарсия-Беллидо соглашается.
Хотя наблюдения LIGO могут ознаменовать первое обнаружение ПЧД, как Чатциоанну, так и Ханна соглашаются, что более вероятно, что гравитационные волны просто пришли от избыточных нейтронных звезд. Теории образования таких громоздких нейтронных звезд уже существуют, и они не требуют спекулятивных сценариев от зари Вселенной. «Определенно, гораздо менее вероятно, что источники этих событий являются изначальными черными дырами, чем просто нейтронные звезды, которые тяжелее, чем то, что мы видим в галактике», - говорит Чатциоанну. «Это не невозможно; это просто менее вероятно ».
Хотя Ханна называет случай GW190425 изначальной черной бинарной дырой «слабой», Гарсия-Беллидо остается более оптимистичным. « Все события LIGO могут быть вызваны изначальными черными дырами», - говорит он. Только время - и больше данных - покажет.