Отголоски Большого взрыва: гравитационные волны указали на неуловимые черные дыры — и, возможно, на саму темную материю

Рябь в самой ткани пространства-времени, которую называют «гравитационными волнами», возможно, впервые дала заманчивое указание на существование крошечных черных дыр, родившихся во время Большого взрыва. Эти первичные черные дыры, в свою очередь, могут объяснять большую часть — если не всю — самой загадочной субстанции Вселенной, известной как темная материя.

В отличие от черных дыр звездной массы, первичные черные дыры родились не в результате гибели массивных звезд, а из флуктуаций плотности, возникших сразу после рождения космоса. Это значит, что они могут быть намного меньше звездных черных дыр, масса которых как минимум в несколько раз превышает массу Солнца. Эти «неастрофизические» черные дыры, рожденные Большим взрывом, могут иметь массу от величины среднего астероида до массы крупной планеты.

Тем не менее, первичные черные дыры остаются гипотетическими — несмотря на то, что их впервые предложил Стивен Хокинг еще в 1970-х. Но теперь первый потенциальный намек на их существование пришел в виде сигнала гравитационной волны, «услышанного» обсерваторией LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Этот сигнал указал на столкновение двух черных дыр, по крайней мере одна из которых имеет массу меньше солнечной.

«Самые распространенные черные дыры образуются в результате сверхновой — гибели массивной звезды. Их масса может варьироваться от нескольких солнечных масс до миллиардов солнечных масс, — заявил в своем заявлении исследователь из Университета Майами Нико Каппеллути. — Мы полагаем, что наше исследование поможет подтвердить, что первичные черные дыры действительно существуют».

Остается вероятность, что упомянутый сигнал был ложной тревогой — результатом помех или «шума» в гигантских интерферометрических плечах LIGO. Однако Каппеллути и его коллега по университету Альберто Магараджа уверены, что этот необычный сигнал не мог быть вызван ничем, кроме первичной черной дыры.

И они намерены это доказать.

«Мы попытались оценить, сколько первичных черных дыр может существовать во Вселенной и сколько из них LIGO должно быть способно обнаружить, и наши результаты обнадеживают, — сказал Магараджа. — Мы предсказываем, что субсолнечные черные дыры, подобные той, что, возможно, наблюдал LIGO, действительно должны быть редки, что согласуется с тем, как редко такие события наблюдались до сих пор».

«Наиболее правдоподобное объяснение сигнала LIGO, у которого нет никакого обычного астрофизического объяснения, — это обнаружение первичной черной дыры. И наше исследование показывает, что эти первичные черные дыры могут объяснять значительную часть — если не всю — темной материи».

Как темная материя связана с первичными черными дырами

Темная материя — это насущная загадка для физиков, поскольку, несмотря на то, что она составляет 85% материи Вселенной и, следовательно, перевешивает «обычную материю» (звезды, планеты, луны, астероиды, наши тела и всё, что мы видим вокруг) в пять раз, ученые понятия не имеют, что это такое. Отчасти потому, что в отличие от частиц обычной материи, темная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением (то есть со светом). Это делает ее фактически невидимой: ученые могут лишь предполагать ее присутствие благодаря гравитационному взаимодействию и тому, как это влияет на свет и обычную материю.

Гравитационное влияние темной материи критически важно: одной лишь гравитации видимой материи в галактиках недостаточно, чтобы удерживать их вместе.

Необычные свойства темной материи заставили ученых искать за пределами стандартной модели физики частиц частицы, из которых она могла бы состоять. Пока эти поиски не увенчались успехом. Это привело некоторых ученых к гипотезе, что темная материя может частично или полностью состоять из первичных черных дыр. Как и все черные дыры, первичные черные дыры обладают массой и, следовательно, взаимодействуют с гравитацией, но при этом практически невидимы, потому что окружены горизонтом событий — поверхностью, улавливающей свет. Это делает их идеальными кандидатами на роль темной материи.

Однако, как признают Каппеллути и Магараджа, как бы они ни были убеждены, что загадочный сигнал указывает на существование первичных черных дыр, потребуется гораздо больше доказательств, прежде чем их можно будет уверенно связать с темной материей.

Здесь открывается захватывающая перспектива. Если первичные черные дыры действительно существуют и составляют хотя бы часть темной материи, то они могут объяснить еще одну загадку: почему гравитационные волны от слияний некоторых черных дыр оказываются «не теми», что предсказывают модели. Более того, такие черные дыры могли бы играть роль «семян» для сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, которые слишком велики, чтобы вырасти только из звездных остатков.

Но есть и обратная сторона. Если дальнейшие наблюдения не подтвердят сигнал, физикам придется вернуться к чертежной доске. Некоторые уже критикуют интерпретацию LIGO, указывая, что шум в детекторах может имитировать редкие события. Другие предлагают альтернативные объяснения, например, столкновение не черных дыр, а экзотических объектов, таких как бозонные звезды.

Тем не менее, будущее выглядит многообещающим. Американский LIGO, итальянский Virgo и японский KAGRA готовятся к повышению чувствительности. А на горизонте — космическая гравитационно-волновая обсерватория LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), которая сможет регистрировать слияния черных дыр с массами, недоступными наземным детекторам.

Учитывая, что гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1915 году, а первое успешное обнаружение состоялось только через 100 лет, в 2015-м, охота за рябью пространства-времени всегда была игрой на терпение. И теперь, похоже, это терпение начинает оправдываться.

«LIGO зафиксировал очень веские доказательства того, что такие типы черных дыр существуют, — сказал Каппеллути. — Но нам нужно обнаружить еще один такой сигнал или даже несколько, чтобы получить окончательное подтверждение их реальности. Однако ясно одно: их нельзя исключать».

Исследование команды принято к публикации в Astrophysical Journal и доступно в виде препринта на arXiv.