В ноябре прошлого года лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO зарегистрировала сигнал, который может стать ключом к разгадке одной из главных тайн современной космологии — природы темной материи. Исследователи из Университета Майами полагают, что источником этого сигнала стало слияние, в котором участвовала первичная черная дыра — объект, сформировавшийся в первую долю секунды после Большого взрыва.
Что не так с обычными черными дырами
Большинство черных дыр образуется в результате гравитационного коллапса массивных звезд на финальных стадиях их эволюции. Такие объекты имеют массу от нескольких до десятков миллиардов солнечных масс. Однако зафиксированный LIGO сигнал указал на слияние, в котором, по меньшей мере, один из участников имел массу менее одной солнечной — то есть не укладывался в рамки классической теории звездной эволюции.
Именно этот факт заставил физиков вспомнить о гипотетических первичных черных дырах (ПЧД). Их существование еще в 1960-х годах предсказали советские ученые Яков Зельдович и Игорь Новиков, а позже эту идею развил Стивен Хокинг. Предполагается, что такие объекты могли возникать из сгустков вещества в сверхплотной ранней Вселенной, задолго до того, как зажглись первые звезды. Их масса может варьироваться в невероятно широком диапазоне — от астероидной до сверхмассивной.
Что увидели детекторы
Нико Каппеллути, доцент кафедры физики Колледжа искусств и наук Университета Майами, и его аспирант Альберто Магараджа провели анализ ноябрьского события. Их вывод: природа субсолнечного объекта не оставляет пространства для альтернативных астрофизических объяснений.
Ученые не только интерпретировали сигнал, но и попытались смоделировать, какое количество ПЧД могло бы существовать во Вселенной, чтобы объяснить подобные редкие наблюдения. Результаты оказались обнадеживающими: предсказываемое количество таких объектов совпадает с редкостью фиксации подобных событий на сегодняшний день.
Темная материя: невидимый «клей» Вселенной
Главная интрига этого открытия кроется в его связи с темной материей — загадочным веществом, которое не участвует в электромагнитных взаимодействиях, но составляет около 85% всей материи во Вселенной и выступает в роли гравитационного «клея», удерживающего галактики от распада.
Существующие теории предполагают, что первичные черные дыры могли бы составлять значительную, если не всю, долю темной материи. Если выводы Каппеллути и Магараджи подтвердятся, это станет первым прямым доказательством того, что темная материя не просто гипотетическая конструкция, а вполне реальная форма существования материи.
Нужны новые данные
Сами авторы исследования признают, что для окончательного подтверждения необходимы дополнительные наблюдения. LIGO работает в международной коллаборации LVK, куда также входят итальянский детектор Virgo и японский KAGRA. Ученые ждут регистрации еще одного или нескольких аналогичных сигналов, которые могли бы подтвердить существование целой популяции субсолнечных черных дыр.
Будущие обновления LIGO сделают обсерваторию более чувствительной. Однако для того чтобы заглянуть в самые ранние эпохи после Большого взрыва, потребуются приборы нового поколения. Европейское космическое агентство планирует запустить в 2035 году лазерную интерферометрическую космическую антенну LISA. Кроме того, сейчас ведется проектирование наземной обсерватории Cosmic Explorer, которая будет в 10 раз чувствительнее LIGO.
Справка: Первичные черные дыры — гипотетический тип черных дыр, которые могли образоваться не в результате коллапса звезд, а из-за флуктуаций плотности вещества на ранних этапах расширения Вселенной. Теоретически их масса может варьироваться от планковской (10⁻⁸ кг) до сверхмассивной (миллионы солнечных масс). Обнаружение ПЧД в диапазоне масс, меньшем солнечной, стало бы революционным подтверждением теорий, предсказывающих их существование.
Результаты исследования Нико Каппеллути и Альберто Магараджи будут опубликованы в одном из ближайших номеров The Astrophysical Journal и уже доступны на сервере препринтов arXiv.
Автор: Адам Магомедов