[Перевод] Тёмная материя может оказаться захваченной чёрными дырами

Может оказаться, что неуловимая субстанция не состоит из каких-то новых частиц

Когда 11 февраля 2016 года докладчик проекта aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) объявил об обнаружении гравитационных волн, я был поражён. Конечно, мы ожидали, что aLIGO в какой-то момент выдаст нам что-нибудь интересное, но мы думали о предварительных результатах. Мы считали, что проект после сложных и трудных подсчётов в течение нескольких месяцев выдаст нам некий слабый сигнал, чуток подымающийся над шумом.

Но нет, графики, показанные в тот роковой день февраля, были настолько ясными и недвусмысленными, что доказывать ничего не пришлось. Своими глазами я мог видеть волновую форму, которую нельзя было спутать ни с чем – это слияние двух чёрных дыр, в результате которого в окружающее пространство-время отправились гравитационные волны.

И это было ещё не всё. Чёрных дыр, увиденных aLIGO, вообще не должно было существовать. Мы знаем о существовании чёрных дыр с массами в миллион или триллион раз превышающими массу Солнца, и мы видели небольшие чёрные дыры массой, сравнимой с солнечной. Но масса чёрных дыр, увиденных aLIGO, была в 30-60 раз больше солнечной. Некоторые из моих коллег утверждают, что чёрные дыры среднего размера, обнаруженные aLIGO, могут оказаться той самой тёмной материей, что скрывается от нас уже почти 50 лет.

Уже не в первый раз учёные предположили, что чёрные дыры могут быть тёмной материей, но мы думали, что эту возможность однозначно отвергли. Воскрешение этой идеи – ещё один пример богатой творческой деятельности, возникающей после нового открытия. Идеи, вышедшие из моды, могут вернуться в неё, если посмотреть на них в новом свете и с энтузиазмом – и даже заменить собою принятые точки зрения. Пересмотр открытий также сближает на первый взгляд несравнимые области исследований – в нашем случае это тёмная материя и гравитационные волны – и ведёт к плодотворным связям.

В 1970-х Стивен Хокинг со своим аспирантом Бернардом Карром предположили, что из хаоса, разверзшегося после Большого взрыва, могло появиться море крохотных первичных чёрных дыр. Со временем они могли вырасти и стать основой формирования галактик. Они могли даже внести свой вклад в общий энергетический бюджет Вселенной. Чёрные дыры тяжелы и их сложно увидеть – как раз эти свойства нам нужны, чтобы объяснить отсутствующую материю Вселенной.

Несколько десятилетий преданные сторонники этой идеи развивали её. В 1990-х она пережила, казалось, смертельный удар. В эксперименте MACHO учёные направили телескоп на Большое Магелланово облако в поисках лёгкого мерцания, означавшего бы, что перед звездой прошла чёрная дыра. Они обнаружили, что очень трудно было бы набрать достаточно чёрных дыр для того, чтобы списать на них всю тёмную материю Вселенной.

Позже Тимоти Брандт из Института передовых исследований в Принстоне изучал эффект, оказываемый чёрными дырами на плотные агломерации звёзд, известные, как, шаровые скопления, живущие в карликовых галактиках, прячущихся в пустоте вокруг Млечного пути. Он показал, что в случае избытка чёрных дыр эти скопления разогревались бы, раздувались и быстро умирали. Подставив конкретные значения для конкретного кластера в карликовой галактике Эридан II, он смог показать, что лишь малая часть тёмной материи может существовать в виде чёрных дыр. В связи с чем идея чёрных дыр, выступающих в роли тёмной материи, превратилась в очередную экзотическую идею, с которой любят играться теоретики, но без реальной опоры в природе.

А поиски тёмной материи сфокусировались на слабо взаимодействующих массивных частицах, WIMP. Это фундаментальные частицы, реликты с самых ранних времён, когда фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и вели себя совсем не так, как сейчас. Для многих моих коллег обнаружение WIMP – это неизбежность, они должны существовать. Как только мы построим достаточно большой и мощный инструмент, то, по мнению большинства космологов, мы неизбежно увидим эти странные частицы.

Вот только этого не происходит. Со временем наши детекторы стали мощнее и больше, но они ничего не нашли. В недавнем эксперименте LUX, ищущем редкие частицы, оставляющие свою энергию в половине тонны жидкого ксенона, погребённого в километре под землёй в местечке Лид в Южной Дакоте, так и не смогли продемонстрировать доказательства невиданных доселе частиц. Ричард Гэйтскел из Брауновского университета, один из создателей LUX, сказал: «Было бы чудесно, если бы улучшенная чувствительность позволила бы увидеть чёткий сигнал тёмной материи. Однако то, что мы наблюдаем, соответствует только лишь фону».

Учитывая отчаянное положение WIMP, имеет смысл поднять некоторые старые, умозрительные, отброшенные идеи. В двух недавних работах, одну из которых возглавил Симеон Бёрд из Университета им. Джона Хопкинса, а другую – Мисао Сасаки из Университета Юкава в Токио, проделано именно это.

Подстёгнутые открытием aLIGO, они проработали вопрос того, могут ли чёрные дыры массой в несколько десятков солнечных быть тёмной материей. В Млечном пути таких дыр должно было быть 10 миллиардов, и ближайшая из них, возможно, находится в нескольких световых годах от нашей Солнечной системы. Некоторые из них должны были сформировать двойные системы, и некоторые из таких систем мог бы обнаружить aLIGO. Две команды сходятся в том, что aLIGO должен засекать от нескольких единиц до нескольких десятков таких событий в год, и они должны преобладать над другими чёрными дырами, появившимися таким способом, как коллапс звезды. Иначе говоря, если эти чёрные дыры – галактическая тёмная материя, можно ожидать, что их увидит aLIGO. А он их увидел.

Дьявол в мелочах. Как доисторические чёрные дыры должны были появиться – вопрос пока открытый. Одна из идей состоит в том, что они возникли в краткий период ускоренного расширения ранней Вселенной, во время инфляции. Толчки и вибрация того периода должны были сконцентрировать энергию в плотных шариках, которые и дали бы начало формированию чёрных дыр. Чтобы мы могли их обнаружить, эти дыры должны достаточно сильно сблизиться, чтобы слиться и испустить гравитационные волны. То, как и когда это случается, зависит от формы Млечного пути, плотности расположения массы и скорости движения чёрных дыр. Разумные предположения выдают многообещающий ответ, но это пока всё ещё предположения.

Это только первые шаги в области, следующие за эйфорией открытия aLIGO, и может случиться, всё, что угодно. Ограничения эксперимента MACHO и физики шаровых скоплений работают против этой идеи, но какая-нибудь гениальная мысль может решить все проблемы, связанные с наблюдениями.

Открытие aLIGO напоминает мне об ещё одном превращении, за которым я наблюдал в своей карьере. В 1991 году спутник COBE впервые измерил волны реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Разочаровывающие и почти донкихотские поиски этого излучения шли более 25 лет, и почти перешли в захолустные области космологии. Сама по себе космология казалось эзотерической и трудно описываемой наукой, расплывчатой, хотя очень интересной и творческой темой. Но когда излучение всё-таки нашли, это породило лавину идей не только для астрономии, но и для физики частиц.

Десятилетия мы пытаемся связать фундаментальные законы природы, управлявшие ранней Вселенной, с тем, как появлялись галактики, чтобы эволюционировать и сформировать видимые сегодня крупномасштабные структуры. Открытие COBE направило меня на путь, которым я следую до сегодняшнего дня, и я могу представить, как aLIGO сделает то же самое с новым поколением физиков в их поисках тёмной материи.