Астрономы нашли способ "добавить" чёрных дыр в тёмную материю

Учёные рассчитали новый механизм образования чёрных дыр сразу после Большого взрыва. Похоже, что их доля в тёмной материи существенно выше, чем считалось прежде. Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters группой во главе с Шэн-Фэн Янем (Sheng-Feng Yan) из Китайского университета науки и технологий.

Напомним, что тёмная материя, или скрытая масса, – это загадочное вещество, которое проявляет себя своей гравитацией, но не наблюдается в телескопы.

Часть его, безусловно, составляют тусклые астрономические объекты, такие как холодный газ, коричневые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Но насколько большую часть? Это, в общем-то, не известно. Особенно в той части, что касается чёрных дыр.

Напомним, что чёрные дыры потому и называются чёрными, потому что они ничего не излучают (кроме гипотетического излучения Хокинга, неощутимого для земных телескопов). Конечно, есть целый ряд способов их обнаружить. Если такое тело окружено диском падающего на него вещества, его можно опознать по свечению этого диска. Если вокруг чёрной дыры обращаются звёзды, можно установить природу центрального тела по характеристикам их орбит. Бывает и так, что "хищница" разрывает звезду, подошедшую слишком близко. Наконец, иногда чёрные дыры звёздной массы сталкиваются, порождая гравитационные волны, которые фиксируются земными детекторами.

Однако всё это исключения, а не правила. Как полагают астрономы, подавляющее большинство чёрных дыр не проявляет себя ни одним из описанных выше способов. А это, в свою очередь, означает, что их количество и вклад в скрытую массу трудно оценить, и здесь велика роль теоретических соображений.

В связи с этим особенно интересны механизмы образования так называемых первичных чёрных дыр. Эти гипотетические объекты, как считается, образовались почти сразу после Большого взрыва, когда во Вселенной ещё не было ни реликтового излучения, ни атомных ядер (последние породили звёзды, а они в ходе эволюции породили "вторичные" чёрные дыры). Вопрос, соответственно, в том, сколько первичных чёрных дыр возникло, и какую долю скрытой массы они в итоге составляют.

Группа Яня теоретически обосновала новый механизм их образования, благодаря которому таких объектов может оказаться существенно больше, чем считалось ещё недавно. Кратко поясним, в чём его суть.

Если пространство абсолютно равномерно заполнено веществом, то на каждую частицу со всех сторон действует одна и та же гравитационная сила. Но стоит по каким-то причинам возникнуть уплотнению, как равновесие нарушается, сгусток притягивает к себе соседнее вещество и растёт, как снежный ком. Примерно так формируются звёзды и галактики.

Как полагает современная космология, самые первые уплотнения (так называемые затравочные неоднородности) возникли из-за неизбежных квантовых флуктуаций (попросту говоря, случайных вариаций) энергии инфлатонного поля. Это особое поле, которое обеспечивало невероятно быстрое расширение Вселенной на самых ранних стадиях. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о нём.

Согласно общепринятым моделям, такие флуктуации почти всегда были слишком слабыми, чтобы из затравочной неоднородности образовалась чёрная дыра. Однако авторы обнаружили новый эффект, который выборочно усиливает некоторые из этих возмущений. Не вдаваясь в тонкости, можно сказать, что некоторые виды колебаний плотности входят в резонанс, и это значительно усиливает неоднородности.

В результате, по расчётам исследователей, должны образовываться первичные чёрные дыры с определёнными массами. В огромном диапазоне масс от 10^-17 до 10⁸ солнц авторы насчитали 13 относительно узких (один-два порядка) интервалов, в которых могут возникать такие объекты.

К слову, в том числе могут появиться чёрные дыры и массой от 10 до 100 солнечных, слияния которых засекают детекторы гравитационных волн. Не исключено, что с ростом чувствительности этих инструментов появится возможность проверить эту гипотезу.

Согласно выводам авторов, доля первичных чёрных дыр в скрытой массе больше, чем считалось раньше. Однако не следует заблуждаться: такая "добавка" обеспечит менее процента от общего количества тёмной материи.

Вообще говоря, сейчас доминирует гипотеза, что тёмная материя в основном состоит из неизвестных науке частиц. У теоретиков есть целый букет возможных кандидатов, существование которых с большой вероятностью следует из их построений. Уловить эти частицы призвана целая плеяда детекторов. Одни установки только строятся, другие уже работают, а третьи завершили свою миссию. Результата пока нет, но, возможно, это вопрос времени.

Напомним также, что ранее мы писали о способе найти первичные чёрные дыры, и даже о чёрных дырах, оставшихся от предыдущей вселенной, причём в двух разных версиях её прошлого.