Могут ли чёрные дыры хранить недостающую материю Вселенной?

Сегодня в 10:01 Прокомментировать Просмотры: 0

Почти сто лет астрономов преследует неудобная истина: основная часть материи во Вселенной нам не видна. Галактики вращаются так, словно их окутывают гигантские облака невидимого вещества. В скоплениях галактик масса, судя по всему, заметно превосходит ту, что способны дать светящиеся объекты. О том же свидетельствует и излучение, дошедшее до нас со времён Большого взрыва. Этот недостающий компонент получил название тёмной материи. Однако присвоить явлению имя ещё не значит разобраться в его природе или зафиксировать его экспериментально.

Из множества предложенных объяснений одно кажется особенно заманчивым. Не исключено, что космос населяют древние чёрные дыры, возникшие так давно, что появились ещё до рождения первых звёзд. Такие объекты называют первичными чёрными дырами: заметить их почти невозможно, зато их гравитационное влияние было бы колоссальным. При этом не пришлось бы выдумывать никаких новых частиц.

Способны ли привычные нам объекты разрешить эту загадку? Возможно. Но в действительности всё куда запутаннее, чем кажется на первый взгляд.

Свидетельства существования чего-то невидимого

Первая важная подсказка прозвучала в 1930-х годах, когда астроном Фриц Цвикки изучал скопление Волос Вероники (Кома) — огромное собрание галактик, удалённое от нас примерно на 300 миллионов световых лет. Учёный сопоставил оценку его видимой массы со скоростями движения галактик.

Результаты расчётов не складывались. Галактики перемещались столь стремительно, что гравитации наблюдаемого вещества, по всей видимости, не хватило бы, чтобы скопление не распалось. Либо гравитация действовала не по известным законам, либо значительная часть массы скопления просто ускользнула от наблюдателей.

Спустя несколько десятилетий Вера Рубин с коллегами выявила другое проявление той же нестыковки. Изучая скорости вращения спиральных галактик, включая галактику Андромеды, исследователи установили: звёзды и газ на периферии часто обращаются заметно быстрее, чем предполагало видимое распределение вещества. В упрощённой модели, где почти вся масса сосредоточена там же, где светят звёзды, орбитальные скорости должны падать по мере удаления от центра. Тем не менее кривые вращения (график зависимости скорости от расстояния до центра) оставались на удивление плоскими. Расхождение нельзя было списать на мелкую поправку в пределах погрешности. Похоже, галактики погружены в массивные невидимые гало.

С тех пор независимые наблюдения подтвердили этот вывод. Гравитационное линзирование даёт возможность составлять карты распределения массы по тому, как она искривляет свет, и неважно, светится ли сама эта масса. Самый наглядный пример — скопление Пуля. При столкновении двух скоплений галактик основная часть их горячего газа затормозилась и сконцентрировалась в плотном образовании.

Улики можно найти и в реликтовом излучении — древнем свете, возникшем в эпоху, когда Вселенная стала прозрачной (рекомбинация водорода). Его температурные флуктуации хранят отпечаток условий молодого космоса. Модели без тёмной материи с трудом воспроизводят наблюдаемую картину.

Есть и вопрос времени. Космические структуры выросли из квантовых колебаний плотности и со временем превратились в галактики и их скопления. Обычная материя, в ранней истории Вселенной тесно связанная с излучением, не могла бы сама запустить формирование структур достаточно быстро. Разрешить это затруднение помогает дополнительный компонент, способный образовывать гравитационные сгустки раньше.

Существуют и теории модифицированной гравитации, которые объясняют отдельные явления. Но уложить весь массив данных в рамки единственной такой модели по-прежнему крайне трудно. Поэтому тёмная материя всё чаще воспринимается как подлинный элемент космоса.

Почему обычные чёрные дыры не годятся на эту роль

Чёрные дыры выглядят многообещающими претендентами: они обладают массой, но собственного света почти или совсем не излучают. Если окружить галактику достаточным их числом, суммарное гравитационное притяжение могло бы влиять на движение её звёзд. Однако на этом пути есть серьёзная преграда: обычные чёрные дыры рождаются из обычной материи.

Общепринятый сценарий таков: массивная звезда выгорает дотла, и её ядро коллапсирует. Чёрные дыры могут продолжать расти за счёт аккреции и слияний, но исходное звёздное вещество всё равно откуда-то должно взяться.

Между тем космологи довольно точно знают, сколько обычной материи во Вселенной. Эта оценка частично опирается на данные о нуклеосинтезе эпохи Большого взрыва. В первые минуты после него условия позволяли протонам и нейтронам объединяться в лёгкие ядра. Когда космос расширился и остыл, ядерные реакции в основном прекратились и оставили характерную смесь с преобладанием водорода и гелия и следами других лёгких элементов. Рассчитанное содержание этих элементов поразительно хорошо совпадает с наблюдаемым. Принципиально важно, что оно зависит от плотности обычной, или барионной, материи, то есть показывает, сколько привычного нам вещества вообще существует.

Если сопоставить это с другими космологическими измерениями, получится впечатляющий итог: на обычную материю приходится лишь около пяти процентов общего энергетического баланса Вселенной, на тёмную — порядка двадцати семи. Большую часть остального занимает тёмная энергия.

Превращение уже существующих звёзд в чёрные дыры не добавит массы. Барионов попросту недостаточно, чтобы объяснить тёмную материю, будь они светящимися, остывшими, рассеянными в пространстве или сжатыми в сингулярность за горизонтом событий. Чтобы гипотеза с чёрными дырами сработала, нужны такие, которые возникли не из звёзд.

Лазейка, ведущая в раннюю Вселенную

В 1970-х годах Стивен Хокинг теоретически изучил квантовое поведение чёрных дыр и пришёл к неожиданному выводу: они не абсолютно чёрные. Квантовые эффекты на их горизонтах событий приводят к тепловому излучению, из-за которого чёрные дыры теряют массу, хотя и крайне медленно.

Для астрофизических чёрных дыр этот эффект ничтожен. Чтобы испариться, чёрной дыре с массой порядка солнечной потребовалось бы время, многократно превышающее нынешний возраст Вселенной. Но чем меньше чёрная дыра, тем интенсивнее она излучает и тем короче её жизнь. Тогда возник вопрос: могла ли природа создавать чёрные дыры, значительно более лёгкие, чем остатки умирающих звёзд?

Ответ следовало искать в ранней Вселенной. В первые мгновения космос был невероятно горячим и плотным. Сильные флуктуации плотности могли привести к тому, что отдельные области вещества коллапсировали напрямую в чёрные дыры — без звёзд и сверхновых.

Подобные первичные чёрные дыры образовали бы совершенно отдельную популяцию, не похожую на звёздные остатки. Их массы зависели бы от времени и обстоятельств формирования и потенциально охватывали бы огромный диапазон. Поскольку их происхождение связано с первичным энергосодержанием, а не с уже сложившимися звёздами, барионный баланс для них не становится проблемой.

Для Хокинга эта идея открыла особенно соблазнительную перспективу: возможность проверить его предсказания наблюдениями. Первичные чёрные дыры, родившиеся достаточно маленькими, к настоящему времени уже утратили бы значительную долю массы. По мере ускорения испарения к концу жизни они могли бы порождать мощное излучение.

Астрономы искали такие признаки, в частности характерные всплески высокоэнергетического излучения. Ни один из них пока не удалось уверенно связать с гибелью первичной чёрной дыры. Эти отрицательные результаты говорят о том, что подобных объектов, если они вообще существуют, очень мало.

Тем не менее чёрная дыра, изначально достаточно массивная, испаряется медленнее. Многие первичные чёрные дыры, если они и возникли, могут существовать до сих пор. Они способны дрейфовать в галактических гало, незаметно оказывая гравитационное воздействие и не выдавая себя светом. Так идея, родившаяся в исследованиях квантовой гравитации, внезапно превратилась в одно из возможных решений одной из величайших космологических загадок.

Как изучать невидимую популяцию

Хорошая космологическая теория не может ограничиваться правдоподобной историей происхождения. Она обязана выдержать проверку всеми уже имеющимися наблюдениями.

Начнём с механизма формирования. Какой физический процесс создал необычно плотные области? Усилила ли какая-то особенность ранней Вселенной флуктуации плотности? Обладали ли возникшие чёрные дыры примерно одинаковой массой или же образовались в широком диапазоне масс? Сколько их появилось? Это не второстепенные детали. Вселенная с триллионами крошечных чёрных дыр ведёт себя иначе, чем та, где существует меньшее число тяжёлых объектов, даже если суммарная масса одинакова.

Затем — эволюция. Первичные чёрные дыры могут излучать, захватывать окружающее вещество и сливаться друг с другом. Каждый из этих процессов потенциально оставляет следы. Скажем, испарение в ранней Вселенной могло передавать энергию окружающей плазме, меняя образование лёгких элементов или влияя на микроволновое фоновое излучение. Аккреция на более массивные чёрные дыры могла сопровождаться излучением и изменять тепловую историю космоса. Слияния могли порождать гравитационные волны и со временем перестраивать распределение масс чёрных дыр.

Их гравитационное влияние сохраняется и спустя долгое время после остывания ранней Вселенной. Скопления компактных объектов могут воздействовать на звёзды, менять структуру небольших галактик или оставлять характерные сигналы, проходя между Землёй и более далёкими источниками.

Каждое предсказание — это возможность для новой проверки. Один из наиболее полезных методов — гравитационное микролинзирование. Когда компактный объект проходит рядом с лучом зрения, направленным на далёкую звезду, его гравитация способна ненадолго усилить её видимую яркость. Наблюдая за большим числом звёзд, астрономы ищут такие события, в том числе вызванные чёрными дырами, которые иначе остались бы незамеченными.

Обзоры не выявили достаточного количества событий микролинзирования, которое подтвердило бы существование Вселенной, где тёмная материя целиком состоит из первичных чёрных дыр с широким диапазоном масс. Впрочем, чувствительность этих обзоров зависит от массы и других допущений, поэтому подобные исключения не носят универсального характера.

Другие наблюдения закрывают иные возможности. Очень малые чёрные дыры жёстко ограничены из-за излучения Хокинга и его вероятных последствий. Более массивные могут аккрецировать газ, и излучение от этого процесса способно оставлять отпечатки в реликтовом излучении, хотя строгость этих ограничений зависит от не вполне изученных моделей аккреции.

При ещё больших массах чёрные дыры могли бы разрушать хрупкие звёздные системы. Их гравитационные столкновения способны нагревать звёздные скопления или менять размеры и внутренние движения карликовых галактик. Поэтому само существование относительно компактных систем ограничивает количество таких объектов.

Если объединить все эти проверки, допустимая область для первичных чёрных дыр сужается до очень небольшой. Но полностью она не исчезает.

Почему астрономы не отказываются от этой идеи

Главная причина продолжать изучение первичных чёрных дыр в том, что некоторые астрономические загадки любопытным образом перекликаются с их предсказанным поведением.

Возьмём гравитационные волны. В 2015 году детекторы LIGO зарегистрировали сигнал от слияния двух чёрных дыр массой около 36 и 29 солнечных. Это открытие показало, что в наблюдаемой Вселенной действительно существуют и сталкиваются двойные системы тяжёлых чёрных дыр.

Чёрные дыры такой массы могут возникать в ходе звёздной эволюции, и последующие наблюдения подтвердили традиционные сценарии их образования. Тем не менее учёные рассматривают вопрос, не могла ли часть гравитационно-волновых сигналов исходить от первичных чёрных дыр. Особенности распределения масс, спинов и истории слияний в итоге могут помочь отличить одни источники от других.

Есть и сверхмассивные чёрные дыры, найденные на удивительно ранней стадии существования Вселенной. Некоторые из них набрали гигантскую массу, когда космос был ещё молодым, и это заставляет задуматься, как их первоначальные «зародыши» сформировались и так быстро накопили вещество.

В роли возможных «зародышей» выдвигаются первичные чёрные дыры. Достаточно массивная чёрная дыра, возникшая рано, получила бы преимущество для дальнейшего роста. Однако объяснение происхождения сверхмассивных чёрных дыр не доказывает, что первичные чёрные дыры составляют тёмную материю. Более того, массы в соответствующих популяциях вовсе не обязаны совпадать.

Есть и более гипотетические попытки переосмыслить сам процесс испарения. Одна из идей опирается на так называемый «эффект памяти» — квантовое явление, способное замедлить заключительные стадии потери массы чёрной дырой. Если подобные гипотезы подтвердятся, придётся пересмотреть часть ограничений для небольших первичных чёрных дыр. Пока это остаётся лишь предположением.

Что всё ещё остаётся возможным?

Ответ во многом зависит от того, какие массы приписываются гипотетическим чёрным дырам и как они распределены. В упрощённых моделях, где все первичные чёрные дыры имеют практически одинаковую массу, чаще всего обсуждается сохраняющееся «окно» в диапазоне масс, сопоставимых с астероидными, — примерно от 10^17 до 10^23 граммов. Но и здесь наблюдательные ограничения постоянно уточняются, а допустимая доля тёмной материи зависит от деталей анализа. Объявлять весь этот интервал разрешённым окончательно было бы преждевременно.

Широкое распределение масс снова меняет картину. Оно позволяет поместить основную часть тёмной материи в диапазон со сравнительно слабыми ограничениями и при этом допустить небольшую популяцию более тяжёлых чёрных дыр, которые время от времени сливаются или служат зародышами для объектов покрупнее. Но за гибкость приходится платить: предлагаемый механизм формирования должен естественным образом приводить к такому распределению, а вся популяция целиком — удовлетворять сразу всем ограничениям.

Подобрать удобный набор масс, уже зная данные, нетрудно. Куда сложнее объяснить, почему ранняя Вселенная должна была породить именно такой набор.

Именно поэтому гипотеза первичных чёрных дыр занимает столь необычное положение. Она научно серьёзна, активно изучается и пока не исключена окончательно. В то же время ей приходится преодолевать множество наблюдательных трудностей. Большинство космологов по-прежнему считают более традиционной отправной точкой тёмную материю из небарионных частиц, хотя нужную частицу пока не удалось идентифицировать.

Будущие регистрации гравитационных волн, более совершенные обзоры микролинзирования, исследования древних галактик и новые измерения реликтового излучения могут ещё сильнее сузить круг вариантов. Одни из них способны выявить свидетельства в пользу первичной популяции, другие — закрыть оставшиеся лазейки.

Пока Вселенная не спешит давать окончательный ответ. Недостающая масса может оказаться неизвестными частицами, древними чёрными дырами или чем-то ещё более неожиданным. Первичные чёрные дыры по-прежнему заслуживают изучения не потому, что предлагают простое решение, а потому, что дают конкретные предсказания, которые природа вправе опровергнуть.

А если выяснится, что причина именно в них, результат окажется потрясающим: основная часть гравитации, удерживающей галактики вместе, исходит от объектов, появившихся ещё до того, как во Вселенной зажглась хотя бы одна звезда.

Источник