Может ли недостающая материя Вселенной скрываться в чёрных дырах?

Уже почти столетие астрономы сталкиваются с неудобным фактом: большая часть материи, из которой состоит Вселенная, невидима. Галактики ведут себя так, будто окружены огромными облаками невидимой материи. Скопления галактик, по-видимому, содержат гораздо больше массы, чем могут обеспечить их светящиеся обитатели. Излучение, оставшееся после Большого взрыва, указывает на то же самое. Мы называем этот недостающий компонент тёмной материей. К сожалению, дать чему-то название — не то же самое, что понять, что это такое, и обнаружить его.

Среди предложенных объяснений одно выглядит особенно привлекательно. Возможно, Вселенная заполнена древними чёрными дырами — настолько древними, что они образовались ещё до появления первых звёзд. Эти объекты, известные как первичные чёрные дыры, были бы практически невидимы, но обладали бы огромной гравитацией. И никаких неоткрытых частиц.

Так могут ли уже привычные нам объекты помочь с этой загадкой? Возможно. Но на деле всё гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Доказательства существования чего-то невидимого

Первая важная зацепка появилась в 1930-х годах, когда астроном Фриц Цвикки исследовал скопление Волос Вероники (Кома) — обширное скопление галактик, расположенное примерно в 300 миллионах световых лет от нас. Он сравнил их расчётную видимую массу со скоростями движения.

И кое-что в его расчётах не сходилось. Галактики двигались настолько быстро, что гравитации наблюдаемого вещества, казалось, было недостаточно, чтобы удерживать скопление от разрушения. Либо гравитация вела себя не так, как должна по расчётам, либо мы просто не заметили большую часть массы скопления.

Спустя несколько десятилетий Вера Рубин и её коллеги обнаружили ещё один вариант того же несоответствия. Измерив скорость вращения спиральных галактик, в том числе галактики Андромеды, они обнаружили, что звёзды и газ, расположенные вдали от центров галактик, часто вращаются гораздо быстрее, чем этого следует ожидать, исходя из видимого распределения вещества. Согласно упрощённой модели, в которой почти вся масса сосредоточена там, где наблюдается звёздный свет, орбитальные скорости должны уменьшаться по мере удаления от центра. Однако кривые вращения (зависимость скорости от расстояния до центра) оставались удивительно ровными. Это несоответствие не сводилось к незначительной поправке в пределах погрешности. Галактики, по-видимому, окружали массивные невидимые гало.

С тех пор независимые наблюдения подтвердили этот вывод. Гравитационная линза позволяет астрономам картографировать массу благодаря её способности отклонять свет, независимо от того, излучает ли эта масса свет или нет. Ярчайший пример — скопление Пуля. Когда два скопления галактик столкнулись, большая часть их горячего газа замедлилась и собралась в плотное образование.

Свидетельства также обнаруживаются в реликтовом излучении — древнем свете, родившемся в процессе обретения Вселенной прозрачности (рекомбинации водорода). Его температурные флуктуации фиксируют условия, существовавшие в молодом космосе. Модели, в которых не учитывается тёмная материя, с трудом воспроизводят наблюдаемую картину.

Кроме того, возникает вопрос о временных рамках. Космические структуры возникли из квантовых колебаний плотности, превратившись в галактики и скопления. Обычная материя, тесно связанная с излучением на ранних этапах истории Вселенной, не могла самостоятельно начать формировать эти структуры достаточно быстро. Объяснить этот процесс позволяет введение дополнительного компонента, способного формировать гравитационные скопления на более ранних этапах.

Существуют теории модифицированной гравитации, способные объяснить отдельные явления. Однако согласовать весь массив наблюдений с помощью одной-единственной модели модифицированной гравитации по-прежнему чрезвычайно сложно. Поэтому тёмная материя всё больше выглядит как реальная составляющая космоса.

Почему обычные чёрные дыры — это не ответ

Чёрные дыры кажутся многообещающими кандидатами на роль тёмной материи, поскольку обладают массой, при этом излучая мало или вообще не излучая собственного обнаруживаемого света. Если разместить их в достаточном количестве вокруг галактики, их совокупное гравитационное притяжение могло бы влиять на движение её звёзд. Но для этого варианта существует одно серьёзное препятствие: для образования обычных чёрных дыр требуется обычная материя.

Общепринятый механизм формирования чёрных дыр начинается с того, что массивная звезда исчерпывает своё топливо, и её ядро коллапсирует. Ещё чёрные дыры могут расти за счёт аккреции и слияний, но исходный звёздный материал всё равно должен откуда-то поступать.

Но космологи примерно знают, сколько обычной материи содержит Вселенная. Эта оценка частично основана на данных о нуклеосинтезе в условиях Большого взрыва. В течение первых нескольких минут после Большого взрыва условия позволяли протонам и нейтронам объединяться в лёгкие ядра. По мере расширения и охлаждения космоса ядерные реакции в основном прекратились, оставив после себя характерную смесь, в которой преобладали водород и гелий, со следами других лёгких элементов. Прогнозируемое содержание элементов поразительно согласуется с наблюдениями. Что особенно важно, оно зависит от плотности обычной, или барионной, материи. Она показывает, сколько знакомой нам материи существует.

В сочетании с другими космологическими измерениями получается ошеломляющий результат: на долю обычной материи приходится лишь около пяти процентов от общего энергетического бюджета Вселенной, тогда как доля тёмной материи составляет примерно двадцать семь процентов. Большую часть остального объёма составляет тёмная энергия.

Превращение существующих звёзд в чёрные дыры не может создать дополнительную массу. Просто не хватит барионов для того, чтобы объяснить наличие тёмной материи, независимо от того, светятся ли они, находятся ли в замороженном состоянии, разбросаны по космосу или сжаты в сингулярность за горизонтами событий. Чтобы спасти гипотезу, использующую чёрные дыры, нам нужны такие, которые не возникли из звёзд.

Лазейка из ранней Вселенной

В 1970-х годах Стивен Хокинг теоретически исследовал квантовое поведение чёрных дыр и пришёл к удивительному результату. Чёрные дыры не должны быть абсолютно тёмными. Квантовые эффекты, связанные с их горизонтами событий, позволяют им испускать тепловое излучение, в результате чего они теряют массу, пусть и чрезвычайно медленно.

В случае астрофизической чёрной дыры этот эффект пренебрежимо мал. Для испарения чёрной дыры, масса которой сопоставима с массой Солнца, потребовалось бы время, намного превышающее нынешний возраст Вселенной. Однако более мелкие чёрные дыры излучают более интенсивно (чем меньше, тем быстрее) и живут гораздо меньше. Возник вопрос: могла ли природа создать чёрные дыры, размером гораздо меньше тех, что остаются после умирающей звезды?

Ответ на этот вопрос можно было найти в ранней Вселенной. В первые мгновения своего существования космос был чрезвычайно горячим и плотным. Крупные флуктуации плотности могли привести к тому, что отдельные области материи коллапсировали бы непосредственно в чёрные дыры. Для этого не потребовалось бы ни звёзд, ни сверхновых.

Такие первичные чёрные дыры принадлежали бы к совершенно иной популяции, отличной от звёздных остатков. Их массы могли бы зависеть от того, когда и как они образовались, потенциально охватывая огромный диапазон. Поскольку их происхождение связано с первичным энергетическим содержанием, а не с уже сформировавшимися звёздами, они также позволяют избежать проблем, связанных с соблюдением барионного баланса.

Это предложение открыло Хокингу особенно заманчивую перспективу: возможность наблюдательной проверки его предсказаний. Первичные чёрные дыры, родившиеся достаточно малыми, к настоящему моменту уже потеряли бы значительную часть своей массы. По мере ускорения испарения ближе к концу своей жизни они могли бы генерировать энергичное излучение.

Астрономы искали такие признаки, в том числе характерные всплески высокоэнергетического излучения. Ни один из них не был окончательно идентифицирован как признак гибели первичной чёрной дыры. Эти отрицательные результаты указывают на то, что если такие объекты и существуют, то их очень мало.

Однако чёрная дыра, изначально обладающая достаточно большой массой, испаряется медленнее. Многие первичные чёрные дыры, если они и образовались, могут существовать и по сей день. Они могут дрейфовать по галактическим гало, незаметно оказывая гравитационное воздействие и не раскрывая себя с помощью света. Внезапно идея, разработанная в рамках исследования квантовой гравитации, стала одним из возможных решений одной из величайших загадок космологии.

Как изучить невидимую популяцию

Хорошая космологическая теория должна не только предлагать правдоподобную историю происхождения. Она должна выдержать проверку всеми уже готовыми наблюдениями.

Начнём с процесса формирования. Какой физический механизм породил необычно плотные области? Усилила ли какая-то особенность ранней Вселенной флуктуации плотности? Имели ли образовавшиеся чёрные дыры примерно одинаковую массу или же они возникли в широком диапазоне масс? Сколько их появилось? Это не второстепенные детали. Вселенная, содержащая триллионы крошечных чёрных дыр, ведёт себя иначе, чем та, в которой находится меньшее количество тяжёлых объектов, даже если их общая масса одинакова.

Далее про эволюцию. Первичные чёрные дыры могут излучать, захватывать окружающую материю и сливаться друг с другом. Каждый из этих процессов потенциально оставляет следы. Например, испарение в ранней Вселенной могло вносить энергию в окружающую плазму, изменяя процесс образования лёгких элементов или влияя на микроволновое фоновое излучение. Аккреция на более массивные чёрные дыры могла приводить к испусканию излучения и изменять термическую историю космоса. Слияния могли генерировать гравитационные волны и со временем изменять распределение масс чёрных дыр.

Их гравитационное воздействие сохраняет своё значение и спустя долгое время после того, как ранняя Вселенная остыла. Скопления компактных объектов могут воздействовать на звёзды, влиять на структуру небольших галактик или оставлять характерные сигналы, проходя между Землёй и более удалёнными источниками.

И каждое предсказание открывает возможность для новой проверки. Одним из особенно полезных методов является гравитационное микролинзирование. Когда компактный объект проходит близко к нашей линии зрения в направлении удалённой звезды, его гравитация может на короткое время увеличить видимую яркость звезды. Наблюдение за большими популяциями звёзд позволяет астрономам искать такие события, в том числе вызванные невидимыми в иных условиях чёрными дырами.

В ходе обзоров не было обнаружено достаточного количества событий микролинзирования, чтобы подтвердить существование Вселенной, в которой тёмная материя полностью состоит из первичных чёрных дыр с широким диапазоном масс. Однако чувствительность этих обзоров зависит от массы и других допущений, поэтому такие исключения не являются универсальными.

Другие наблюдения закрывают разные возможности. На существование очень малых чёрных дыр накладываются строгие ограничения, связанные с излучением Хокинга и его возможными последствиями. Более массивные чёрные дыры могут аккрецировать газ, причём излучение от этого процесса может оставлять следы в реликтовом излучении, хотя степень жёсткости этих ограничений зависит от точно не известных моделей аккреции.

При ещё больших массах чёрные дыры могут разрушать хрупкие звёздные системы. Их гравитационные столкновения могут нагревать звёздные скопления или изменять размеры и внутренние движения карликовых галактик. Поэтому дальнейшее существование относительно компактных систем ограничивает количество таких объектов.

Если объединить все эти проверки, доступная область существования первичных чёрных дыр становится очень узкой. Однако она не исчезает полностью.

Почему астрономы не отказались от этой идеи

Самая веская причина продолжать исследовать первичные чёрные дыры заключается в том, что некоторые астрономические загадки интригующим образом пересекаются с их предсказанным поведением.

Рассмотрим гравитационные волны. В 2015 году детекторы LIGO зафиксировали сигнал от слияния двух чёрных дыр массой примерно 36 и 29 солнечных масс. Это открытие продемонстрировало, что в пределах наблюдаемой Вселенной существуют и сталкиваются двойные системы тяжёлых чёрных дыр.

Чёрные дыры такой массы могут возникать в процессе эволюции звёзд, и более поздние наблюдения подтвердили традиционные сценарии их образования. Тем не менее, исследователи изучают вопрос о том, может ли часть гравитационных волн происходить от первичных чёрных дыр. Характерные особенности распределения масс, спинов и истории слияний в конечном итоге могут помочь различить эти возможности.

Кроме того, существуют сверхмассивные чёрные дыры, обнаруженные на удивительно раннем этапе истории Вселенной. Некоторые из них достигли огромных масс, когда Вселенная была ещё молодой, что поднимает вопросы о том, как их первоначальные «зародыши» сформировались и так быстро накопили вещество.

В качестве возможных «зародышей» предлагаются первичные чёрные дыры. Достаточно массивная рано появившаяся чёрная дыра могла бы стать преимуществом для последующего роста. Однако объяснение происхождения сверхмассивных чёрных дыр никак не связано с доказательством того, что первичные чёрные дыры составляют тёмную материю. Соответствующие популяции даже не обязательно должны иметь одинаковые массы.

Существуют также более гипотетические попытки переосмыслить сам процесс испарения. Одно из предложений опирается на так называемую «нагрузку памяти» — квантовый эффект, который может замедлить поздние стадии потери массы чёрной дырой. Если такие идеи окажутся верными, придётся пересмотреть некоторые ограничения, налагаемые на небольшие первичные чёрные дыры. Пока что это остаётся в сфере гипотез.

Что по-прежнему возможно?

Ответ в значительной степени зависит от масс, присвоенных гипотетическим чёрным дырам, и от способа распределения этих масс. В упрощённых моделях, где все первичные чёрные дыры имеют практически одинаковые массы, часто обсуждаемая сохраняющаяся возможность лежит в диапазоне масс, сопоставимых с массой астероида, — примерно от 10^17 до 10^23 граммов. Но даже в этом случае наблюдательные ограничения постоянно уточняются, а допустимая доля тёмной материи зависит от деталей анализа. Было бы преждевременным окончательно признать весь этот интервал допустимым.

Широкое распределение масс вновь меняет расчёты. Оно может поместить большую часть тёмной материи в диапазон с относительно слабыми ограничениями, одновременно позволяя небольшой популяции более тяжёлых чёрных дыр время от времени сливаться или служить зародышами для более крупных объектов. Однако добавление гибкости влечёт за собой обязательства: предлагаемый механизм формирования должен естественным образом приводить к такому распределению, а вся популяция в целом должна удовлетворять всем ограничениям в совокупности.

Выбрать удобный набор масс после ознакомления с данными легко. Гораздо сложнее объяснить, почему ранняя Вселенная должна была сформировать именно такой набор.

Именно поэтому гипотеза о первичных чёрных дырах занимает столь необычное положение. Она является научно серьёзной, активно исследуется и окончательно не исключена. В то же время она сталкивается с огромным множеством наблюдательных проблем. Большинство космологов по-прежнему считают тёмную материю, состоящую из небарионных частиц, более традиционной отправной точкой, хотя соответствующая частица ещё не идентифицирована.

Будущие обнаружения гравитационных волн, усовершенствованные обзоры микролинзирования, исследования древних галактик и измерения реликтового излучения могут ещё больше сузить круг возможных вариантов. Некоторые из них могут выявить доказательства в пользу первичной популяции; другие — закрыть оставшиеся лазейки в теориях.

Пока что Вселенная отказывается дать окончательный ответ на этот вопрос. Её недостающая масса может состоять из неизвестных частиц, древних чёрных дыр или чего-то ещё более удивительного. Первичные чёрные дыры по-прежнему заслуживают изучения не потому, что предлагают простой ответ, а потому, что дают конкретные предсказания, которые природа может опровергнуть.

И если окажется, что именно они являются причиной, результат будет потрясающим: большая часть гравитации, удерживающей галактики вместе, будет исходить от объектов, родившихся ещё до того, как во Вселенной появилась хотя бы одна звезда.