На протяжении всей истории астрономических изысканий концепция первичных черных дыр оставалась одной из самых захватывающих и в то же время спорных гипотез, касающихся эволюции Вселенной. Однако недавнее событие, зафиксированное обсерваторией LIGO, может пролить свет на эту загадку. Исследователи из Университета Майами, а именно доцент кафедры физики Нико Каппеллути и его докторант Альберто Магараджа, полагают, что обнаруженный гравитационно-волновой сигнал способен стать ключом к подтверждению реальности этих древних объектов, что, в свою очередь, может приблизить разгадку тайны темной материи.
Гипотетические первичные черные дыры, как предполагается, сформировались в первые мгновения после Большого взрыва, задолго до возникновения звезд и галактик. В отличие от своих «звездных» собратьев, рождающихся в результате коллапса массивных светил, эти объекты могут иметь крайне разнообразные размеры — от крошечных, сопоставимых с астероидом, до гораздо более крупных тел. Ни одна первичная черная дыра до сих пор не была подтверждена наблюдениями, однако научное сообщество возлагает на них надежды в решении фундаментальных космологических вопросов. Ключевой среди них — природа темной материи, невидимого вещества, составляющего примерно 85 процентов всей материи во Вселенной и обеспечивающего гравитационное притяжение, удерживающее галактики в целостности. «Мы считаем, что наше исследование помогает обеспечить надежность, что они действительно существуют», — заявил Нико Каппеллути.
Необычный сигнал LIGO
Фундамент для этой работы заложило возможное открытие, о котором сообщила Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO). В конце прошлого года детекторы зафиксировали необычный сигнал гравитационных волн — ряби в пространстве-времени, порождаемой самыми катастрофическими событиями в космосе, включая слияния черных дыр. Известно, что наиболее распространенные черные дыры возникают после взрыва сверхновых — финальной стадии жизни массивных звезд. Их массы варьируются в широчайшем диапазоне: от нескольких солнечных масс до миллиардов. Однако сигнал, зарегистрированный LIGO, указывал на слияние, в котором по меньшей мере один из объектов обладал массой менее одной солнечной. Такую легковесную черную дыру чрезвычайно трудно объяснить стандартными процессами звездной эволюции. Каппеллути пояснил: «Наиболее распространенные черные дыры происходят в результате взрыва сверхновой, на площади массивной звезды. Таким образом, их массы могут состоять из нескольких масс Солнца до миллиардов солнечных масс». Именно эта аномалия, по мнению ученых из Университета Майами, может указывать на первичную черную дыру, однако далеко не все астрофизики убеждены в справедливости такой интерпретации.
ики предположили, что сигнал может быть просто шумом чрезвычайно высоких детекторов LIGO, а не свидетельством нового замечательного открытия.
Может ли это объяснить темную материю?
Каппеллути и Магараджа предполагают, что обнаруженный объект лучше всего объяснить как первичную черную дыру, которая образовалась в плотных условиях ранней Вселенной, задолго до существования звезды.
Чтобы проверить эту идею, исследователи подсчитали, сколько первичных черных дыр может существовать во всем космосе, и как часто LIGO их должна найти.
«Мы попытались оценить, сколько первичных черных дыр может существовать во Вселенной и сколько из них LIGO сможет поддерживать», — сказал он. — сказал Магараджа. «И наши результаты обнадеживают. Мы предсказываем, что подсолнечные черные дыры, похожие на них, возможно, наблюдали LIGO, действительно должны быть редкими, что согласуется с тем, что такие редкие события наблюдались до сих пор».
Их результаты, опубликованные в Астрофизическом журнале предполагают, что загадочный сигнал LIGO не имеет традиционного астрофизического объяснения и наиболее соответствует первой черной дыре.
Исследование «предполагает, что наиболее правдоподобным объяснением сигнала LIGO, которого не хватает какого-либо традиционного астрофизического объяснения, является обнаружение первых черных дыр», — сказал Каппеллути. «И наши исследования показывают, что эти первичные черные дыры могут составлять часть, если не вся, темной материи».
Несмотря на это, оба исследователя указывают, что одного обнаружения недостаточно для решения вопроса.
На данный момент ученые столкнулись с проблемой, чтобы увидеть, зарегистрироваться в LIGO и ее партнерах получить дополнительные события, соответствующие той же схеме.
«LIGO собрала очень убедительные доказательства существования таких типов черных дыр. Но нам нужно будет подать еще один такой сигнал или даже несколько других, чтобы получить убедительное подтверждение того, что они реальны», — сказал он. — сказал Каппеллути. «Но ясно, что их невозможно наблюдать как реальные».
Теория, разработанная фразами
Концепция первичных черных дыр восходит к эпохам холодной войны, когда советские ученые Яков Зельдович и Игорь Новиков впервые предположили их существование. В начале 1970-х годов Стивен Хокинг развил эту идею, утверждая, что эти объекты могут находиться в изоляции по всей Вселенной, испускать излучение и, возможно, объяснять темную материю.
Позже LIGO предоставила первую возможность проверки доказательств, подтверждающих эти теории. 14 сентября 2015 года обсерватория вошла в историю, впервые обнаружив гравитационные волны, подтвердив предсказание теории относительности Альберты Эйнштейна и открыв совершенно новый способ изучения Вселенной.
Будущее гравитационно-волновой астрономии
LIGO состоит из двух обсерваторий, работающих в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Вместе с детектором Вирго в Италии и подземной обсерваторией КАГРА в Японии они предусматривали международное сотрудничество LVK, занимаясь поиском черных дыр — области космоса, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее исключить.
Запланированные обновления делают LIGO еще более плотным, увеличивая его по очереди, чтобы найти дополнительные кандидаты в первичных черных дырах. Однако два L-образных детектора обсерватории, каждый с вакуумными рукавами длиной 2,5 мили, были созданы для обнаружения высокочастотных гравитационных волн, возникших в результате сравнительно недавних встреч, а не волн, возникших непосредственно во время самого грандиозного явления.
Будущие обсерватории расширят эту структуру гораздо дальше во времени. Ожидается, что космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2035 год, позволит управлять гравитационными волнами на самой ранней стадии развития Вселенной после Великого взрыва.
Еще один запланированный объект, Cosmic Explorer, в настоящее время находится на стадии проектирования в США. Исследователи ожидают, что он будет примерно в 10 раз чувствительнее, чем LIGO, что позволит ему обнаружить слияния черных дыр и нейтронных звезд, начиная с эпохи образования первых звезд.