Спасибо, что вы с нами!

Вначале были дыры

Что если первые черные дыры появились задолго не только до звезд, но даже первых атомов во Вселенной

Создание «классической» черной дыры требует огромной массы — эти объекты возникают при схлопывании массивных звезд. Но не исключено, считают некоторые астрофизики, что есть черные дыры, которые появились в самом начале Вселенной, задолго не только до звезд, но даже до первых атомов. Недавно в Физическом институте РАН выступал один из ведущих специалистов по этим древнейшим пожирателям материи, британец Бернард Карр, который рассказывал о том, как первичные черные дыры могут объяснить формирование галактик и темную материю.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Карр — астрофизик, написавший ряд ключевых работ по физике первичных черных дыр, Стивен Хокинг был его соавтором и наставником. Концепцию первичных черных дыр разрабатывали как британские, так и советские космологи — в своей лекции Бернард Карр отметил работы Игоря Новикова и Якова Зельдовича в одном ряду с публикациями Хокинга.

Дыры вместо материи

Черная дыра гипотетически может быть массой с астероид средней величины. Но в таком случае она слишком мала для сколько-нибудь заметного влияния на движение других небесных тел, если только не рассматривать маловероятный сценарий ее столкновения с планетой. Такую черную дыру нельзя увидеть, так как хокинговское излучение (оно тем слабее, чем больше масса) уже слишком мало, а масса еще недостаточна велика для активного поглощения вещества и появления яркого аккреционного диска. Невидимая, но имеющая массу первичная черная дыра является, таким образом, прекрасным кандидатом на роль темной материи — той самой, которую пока не удается поймать детекторами на Земле.

Черная дыра в системе Лебедь X-1, рисунок. Относительно этого объекта в 1974 году было заключено пари между Стивеном Хокингом и американским физиком Кипом Торном: Хокинг ставил на то, что в этой системе нет черной дыры. Свою неправоту ему пришлось признать в 1990-м (и купить коллеге годовую подписку на журнал Penthouse). Иллюстрация: NASA / CXC / M. Weiss

Отвечая на вопрос журналиста «Чердака» о том, насколько удачным является такое объяснение, Карр сказал: «В мире гораздо больше людей, которые считают темную материю состоящей из элементарных частиц — вимпов (от WIMP — weakly interacting massive particles), например. Проблема в том, что поиски таких частиц ведутся уже сорок лет: это и эксперименты на коллайдерах, и поиск при помощи детекторов. И пока мы ничего не нашли. Я, как астрофизик, склонен считать, что первичные черные дыры могут быть удачной альтернативой, хотя у этой гипотезы есть другая проблема: оценки показывают, что лишь малая часть массы Вселенной могла превратиться в такие объекты».

Действительно, построенные специально для обнаружения вимпов различные детекторы не добились никаких результатов. Возможно, вимпы не просто взаимодействуют с обычной материей только за счет слабого взаимодействия (как нейтрино), но еще и имеют такие характеристики, что построенные установки их просто не видят. И с каждым новым сообщением «вимпов не найдено» скептицизм физиков растет.

В 1994 году трое российских астрофизиков — Павел Иванов, Павел Насельский и Игорь Новиков — представили работу с оценкой числа первичных черных дыр с массой порядка одной десятой массы Солнца. Ученые указали, что при определенных условиях таких объектов могло бы образоваться достаточно много, чтобы объяснить эффект, который принято списывать на темную материю.

ПЧД могут по меньшей мере вносить заметный вклад в невидимую массу Вселенной. Доля темной материи, по сегодняшним представлениям, составляет около 25% «неучтенной» массы мироздания, а на обычное вещество приходится в пять раз меньше.

Ограничения и гравитационные волны

Ряд астрофизических наблюдений, сделанных за последние 20 лет, позволил ограничить простор для фантазий теоретиков. Благодаря, например, неудавшимся попыткам найти ПЧД по отклонению ими лучей света от других небесных тел, ученые теперь исключают то, что первичные черные дыры могут иметь массу в диапазоне от Луны до коричневых карликов (от 1025 до 1033 граммов). Другие наблюдения, уже за распространением излучения от гамма-всплесков, позволили сделать вывод о том, что и ПЧД массой от 1017 до 1020 граммов — это уже типичный крупный астероид, как (291) Алиса, — тоже не должны существовать в значимых количествах. Наконец, ПЧД массой от десяти масс Солнца и выше наверняка бы проявили себя по воздействию на звезды, а объекты меньше 1013 граммов (челябинский астероид и тунгусский объект) попросту должны были испариться еще в прошлом: чем меньше масса, тем сильнее хокинговское излучение и тем быстрее черная дыра теряет массу. Такой процесс, очевидно, самоускоряется и заканчивается взрывом. То, что мы подобных вспышек не наблюдаем, указывает на отсутствие и малых ПЧД.

Гамма-всплеск — «выгоревшая» звезда, в которой остались преимущественно тяжелые элементы (см. состав по центру), схлопывается в черную дыру и производит вспышку гамма-лучей. Иллюстрация: National Science Foundation

«На сегодня выделяют три окна, три диапазона, в которых возможно существование первичных черных дыр. Это примерно соответствует массе (небольших) астероидов, массе планетоидов и массам в районе нескольких солнечных», — рассказывает Бернард Карр. Выявление «запрещенных» областей астрономами вело, по словам ученого, к некоторому охлаждению интереса астрофизиков, однако затем появлялись новые данные, которые приводили к повторному всплеску исследовательской активности.

В частности, первое наблюдение гравитационных волн в истории — 14 сентября 2015 года — показало слияние двух черных дыр с массами около тридцати масс Солнца каждая. Эти массы в принципе могли бы быть и у обычной черной дыры, однако большая часть известных нам черных дыр легче. В своей лекции Карр показал слайд с распределением масс черных дыр, найденных обсерваторией LIGO, и типичные значения массы там выше, чем в выборке из черных дыр, которые открыли иными методами.

Массы известных черных дыр. Изображение: Caltech/MIT/LIGO Laboratory

«Это не уверенное доказательство, но это свидетельствует в пользу предположения о том, что эти черные дыры были именно первичными, — сказал ученый. — Я склонен в это верить, хотя, конечно, занимаюсь первичными черными дырами уже сорок лет и тут отличаюсь от большинства физиков. Те, кто занимается чем-то иным, думают иначе».

Первопричина всего

По словам Карра, с первичными черными дыра связана еще одна интересная гипотеза: именно ими могут быть сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. Это бы объяснило, откуда же вообще взялись подобные гиганты массой до миллиарда масс Солнца. В рамках этой гипотезы ПЧД играют ключевую роль в формировании галактик.

«Не галактики сформировали черные дыры, а черные дыры позволили образоваться галактикам», — говорит Карр.

Сверхмассивные черные дыры наиболее заметны — за счет свечения пожираемого ими вещества. Эти объекты интересны сразу несколькими особенностями:

  • очень большой массой, которую не так просто объяснить простым слиянием черных дыр, возникших при коллапсе звезд;
  • невероятной эффективностью переработки массы падающего вещества в излучаемую энергию — около 50%. Для сравнения: термоядерная реакция переводит в излучение всего 0,7% массы водорода и примерно столько же массы урана-235 превращается в энергию внутри ядерных реакторов;
  • неочевидной плотностью. Интуиция подсказывает, что внутри черной дыры плотность вещества должна быть больше, чем, скажем, внутри нейтронной звезды, с ее десятками тонн в кубическом сантиметре. Но на самом деле вычисления показывают, что за горизонтом событий сверхмассивной черной дыры вещество имеет плотность, сопоставимую с плотностью воды. Это объясняется линейной зависимостью радиуса черной дыры от массы, в то время как у «нормальных» шарообразных тел радиус растет лишь пропорционально кубическому корню от массы.

Общепринятой теории формирования сверхмассивных черных дыр нет — они слишком велики, чтобы получиться при коллапсе даже самых больших и тяжелых из известных нам звезд.

Гипотетически можно рассмотреть, конечно, аномально большие звезды с массой в десятки или даже сотни тысяч масс Солнца, но ничего подобного астрономы пока не видели.

Галактика М31, она же туманность Андромеды — одна из ближайших к нам галактик; в ее ядре находится черная дыра с массой около 140 миллионов солнечных. Фото: Adam Evans / Flickr

А вот первичные черные дыры в любом из сценариев своего появления не ограничены массой звезд. Все теоретические модели предполагают, что ПЧД возникают сразу после Большого взрыва, причем в период, когда не было даже отдельных протонов, а вся Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму. В своей статье Карр и Хокинг указывали, что появившиеся в самом начале черные дыры должны были быть очень легкими (вплоть до ста килограммов), однако затем они активно поглощали окружающее их плотное вещество и достигали значений, характерных для сверхмассивных черных дыр в миллиард раз тяжелее Солнца.

Даже если их нет, их стоило бы придумать

ПЧД по сей день остаются гипотетическими объектами, отчасти пересекаясь с такой экзотикой, как космические струны, доменными стенками и даже червоточинами.

Космические струны — гипотетический одномерный объект с очень высокой плотностью.

Доменная стенка — поверхность, разделяющая разные части Вселенной, — возникает в моделях мультивселенных.

Червоточина — «тоннель», соединяющий две точки пространства напрямую, прообраз «порталов» из научной и не очень научной фантастики. Все это гипотетически возможно, однако доказательств в пользу существования таких объектов практически нет.

Определенные модификации гипотезы ПЧД допускают существование подобных объектов и даже разделение Вселенной на участки с разными физическими законами. Это, по словам Карра, уже приносит пользу физике, поскольку, именно оттолкнувшись от рассуждения про первичные черные дыры, можно прийти к теориям, объясняющим поведение Вселенной и классических черных дыр.

Рассмотрение сугубо гипотетических объектов требует развития математического аппарата и приводит к появлению новых идей. Так, поиски теплорода, вещества, которое в XVIII столетии связывали с теплотой, подтолкнули развитие термодинамики: отталкиваясь от теплорода, Сади Карно разработал теорию тепловых машин. А охота за светоносным эфиром, которая также была безуспешной, помогла развить волновую теорию света. Так что, даже если первичных черных дыр не обнаружится, эта идея все равно принесет свои плоды.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы