Физики придумали, как найти среди чёрных дыр ровесниц Вселенной

Саввас Кушиппас (Savvas Koushiappas) из Университета Брауна и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) из Гарвардского университета предложили способ поиска чёрных дыр, возникших в первые минуты после Большого взрыва. Их существование теоретически предсказано Зельдовичем и Хокингом сорок лет назад, но наблюдать их пока не удавалось.

Предложенный метод опирается на наблюдение гравитационных волн. Авторы изучили гравитационные волны, исходящие от "обычных" чёрных дыр, образовавшихся в результате взрыва массивных звёзд. Такие волны, пришедшие с небольших (по космическим меркам) расстояний, должны наблюдаться чаще, чем преодолевшие огромные дистанции. Учёные построили модели и определили зависимость частоты таких событий от расстояния. Обнаружилось, что дистанция, с которой такие сигналы не должны приходить вообще, находится в пределах досягаемости нескольких проектируемых сейчас детекторов.

Слияние чёрных дыр имеет свою чёткую "подпись" в структуре гравитационных волн. Если такой сигнал придёт с расстояния, которое больше "критического", можно будет с уверенностью сказать, что наблюдаются первичные чёрные дыры. Если же такие чёрные дыры не обнаружатся, придётся пересматривать теорию, которая предсказывает их возникновение.

Расчёты Якова Зельдовича в 1967 году и Стивена Хокинга в 1971 году показали, что в ранней Вселенной, ещё до образования первых звёзд, должны были появиться чёрные дыры. Их называют первичными чёрными дырами.

Эти объекты, как высчитали учёные, должны возникнуть из-за флуктуаций (неравномерного распределения) плотности в пространстве, которые должны существовать по законам квантовой механики. Масса таких чёрных дыр различна и зависит от времени возникновения объекта. Например, в эпоху образования первых атомных ядер (она закончилась всего через несколько десятков минут после Большого взрыва) могли возникнуть чёрные дыры, превосходящие по массе Солнце в десятки миллионов раз. Более ранние этапы жизни Вселенной должны оставить после себя куда более скромные чёрные дыры, в том числе и в десятки солнечных масс. Именно такие чёрные дыры обнаруживаются на действующих детекторах гравитационных волн LIGO и VIRGO.

И это уже очень серьёзно. Мы ведь до сих пор не знаем, существуют ли первичные чёрные дыры вообще. Наблюдатели их так и не обнаружили. Да и как это сделать? Чёрные дыры потому и называются чёрными, что не испускают электромагнитных волн, кроме слишком слабого для наблюдателей излучения Хокинга.

Обычно астрономы видят чёрные дыры благодаря излучению падающего на них вещества. Так наблюдается, например, чёрная дыра в центре нашей Галактики. Но если вокруг такого объекта вещество в дефиците, можно разве что ждать, когда он разорвёт на части звезду.

В 2015 году гравитационные волны были зафиксированы впервые. Они открыли долгожданную возможность наблюдать чёрные дыры звёздной массы, на которые не падает мощный поток вещества. Когда два таких объекта сталкиваются и сливаются в один, возникают гравитационные возмущения, которые и регистрирует детектор.

Но как узнать, что слились именно первичные чёрные дыры? Ведь чёрная дыра может образоваться и из звезды, если её масса не менее 30–40 солнечных. После выгорания термоядерного "топлива" внешние слои такого светила сбрасываются в грандиозном взрыве сверхновой, а ядро превращается в чёрную дыру.

Ответ на этот вопрос и содержится в новом исследовании. Учёные рассчитали, насколько часто детекторы должны регистрировать гравитационные волны с тех или иных расстояний, если речь идёт о слиянии "звёздных" чёрных дыр.

Мерой расстояния в масштабах Вселенной для специалистов служит красное смещение. У авторов получилось, что даже по самым оптимистичным оценкам на красном смещении 40 такие события должны наблюдаться не чаще одного раза в год, а на ещё больших расстояниях вообще не должны наблюдаться.

Дело в том, что объекты, имеющие красное смещение 40, мы увидели бы такими, какими они были всего через 65 миллионов лет после Большого взрыва (который случился почти 14 миллиардов лет назад). Авторы получили свой результат, исходя из моделей ранней Вселенной.

В то же время такие расстояния находятся в пределах досягаемости для нескольких проектируемых сейчас детекторов гравитационных волн, чувствительность которых будет как минимум в десять раз выше, чем у действующих инструментов. Значит, заключают авторы, если эти детекторы обнаружат гравитационные волны, пришедшие с таких расстояний, можно будет с уверенностью заключить, что они порождены первичными чёрными дырами.

Иллюстрация AEI/Milde Marketing/Exozet.

А если не обнаружат? Что ж, тогда придётся пересматривать теорию, которая предсказывает, что такие объекты должны быть. Это было бы серьёзным вызовом современной космологии.

Возможно ли всё-таки, что чёрные дыры на таком удалении от Земли образовались в результате звёздной эволюции? Как поясняется в пресс-релизе исследования, да. Но только в том случае, если стандартная теория ошибается, считая, что флуктуации плотности в ранней Вселенной были распределены по Гауссу. Такое открытие тоже оказалось бы серьёзным вызовом космологии.

Более того, эти два варианта можно отличить по наблюдательным данным. Зависимость частоты событий от красного смещения будет различной в случае первичных чёрных дыр и в случае "негауссовой Вселенной". Совпадают они в одном: то и другое стало бы очень, очень серьёзным открытием.

Научная статья, рассказывающая обо всех этих выводах, была опубликована в журнале Physical Review Letters 30 ноября 2017 года.

К слову, первичные чёрные дыры рассматриваются как один из возможных кандидатов на роль загадочной тёмной материи, о которой "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) неоднократно писали.

Поясним. Есть два основных свидетельства существования этой загадочной субстанции. Первая – наблюдаемая картина неоднородностей реликтового излучения. Этот факт стандартная космологическая модель не в силах объяснить без привлечения гипотезы о неизвестных науке частицах. Но некоторые учёные считают, что нужно не искать неведомые частицы, а пересматривать теорию.

Второе свидетельство – действие гравитации тёмной материи на видимую материю. Астрономы воочию наблюдают это тяготение, например, следя за движением звёзд в галактиках и галактик в скоплениях . Всё указывает на то, что рядом со "светящейся" материей находится и та, которая ни в каких диапазонах не излучает достаточно ярко, чтобы это заметили наблюдатели.

Обычно считается, что это как раз и есть те самые загадочные частицы, раз уж их всё равно приходится вводить в стандартную теорию, чтобы объяснить поведение реликтового излучения. Но как минимум частичный вклад в это тяготение может вносить и самое обычное вещество, у которого попросту нет причин ярко светиться. Например, это может быть холодный разрежённый газ, коричневые карлики и так далее. Всё это несветящееся, но обычное вещество скопом специалисты называют барионной тёмной материей. Возможно, что в его пёстром составе почётное место занимают и первичные чёрные дыры.