Бернард Карр (Bernard Carr), профессор математики и астрономии Лондонского университета королевы Марии
Темная материя, ускользающая в течение последних тридцати лет от детекторов физиков-экспериментаторов, может представлять собой первичные черные дыры — объекты, появившиеся на самой заре существования Вселенной, когда привычной для нас материи еще не было. Впервые гипотеза о существовании таких черных дыр была высказана советскими учеными Яковым Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1967 году. Один из тех, кто развивает эту теорию, — Бернард Карр (Bernard Carr), профессор математики и астрономии Лондонского университета королевы Марии и ученик Стивена Хокинга. Он приехал в Москву и прочитал в ФИАНе лекцию о том, что было сделано в этой области за прошедшие 50 лет, а также ответил на вопросы журналистов. Предлагаем читателям N + 1 узнать о первичных черных дырах из первых рук.
Хотелось бы задать немного тривиальный вопрос: гипотеза о том, что первичные черные дыры могут составлять темную материю, все еще актуальна или уже была отвергнута?
Проблема темной материи сегодня все еще существует: большая часть материи — темная, есть серьезные доказательства этого, и сегодня предлагается множество кандидатов на роль составляющих ее частиц. Некоторые из них — элементарные частицы, так называемые вимпы. Однако исследователям интересны и другие кандидаты, в число которых входят первичные черные дыры. Наверное, большинству исследователей хотелось бы, чтобы темная материя оказалась одной из форм элементарных частиц — просто в мире гораздо больше специалистов по физике элементарных частиц, чем по астрофизике. Но проблема в том, что вимпы ищут уже около 30 лет, и до сих пор ничего не обнаружили. Их искали с помощью ускорителей, пытаясь отследить аннигиляцию частиц, а также методом прямого наблюдения взаимодействия частиц. Никаких признаков найти не удалось.
Это не значит, что темная материя не может состоять из частиц, однако никаких доказательств этого на сегодня нет. Конечно, спустя столько времени отрицательный результат немного разочаровывает.
Черные дыры интересны тем, что мы знаем, что они существуют и что они темные. Так что в некотором смысле черные дыры всегда были хорошими кандидатами на роль составляющих темной материи. Но известные нам объекты, продукты коллапса звезд и большие черные дыры в центре галактик, обладают гораздо меньшей плотностью, чем мы ожидаем от темной материи — лишь малой долей.
Кроме того, черные дыры, состоящие из «обычной» материи, не могут быть источником темной материи по более «техническим» причинам. Первичный нуклеосинтез легких элементов, происходивший в первые минуты после Большого взрыва, накладывает ограничения на плотность барионной материи, состоящей из «обычных» атомов, и она должна быть намного меньше, чем плотность темной материи — как минимум в пять раз.
Вклад темной материи в критическую плотность Вселенной составляет 0,25. Однако плотность барионной материи должна быть меньше чем 0,05 от критической плотности. Таким образом, обычная барионная материя не может быть и темной материей, поэтому обычные черные дыры, которые рождаются при смерти звезд, не подходят на роль кандидатов. Однако первичные черные дыры сформировались очень рано, до первичного нуклеосинтеза и, возможно, они могут составлять темную материю.
Обычные черные дыры взаимодействуют с барионной материей: они поглощают ее, они гравитационно влияют на нее, и мы можем находить их с помощью косвенных методов. Кроме того, у них есть излучение Хокинга. Как первичные черные дыры могут быть темной материей, если получается, что они на самом деле не такие темные?
Первичные черные дыры охватывают огромный диапазон масс — начиная с планковской (10-5 солнечных) до средней солнечной массы. Масса тех дыр, которые испаряются благодаря процессам, открытым Хокингом, составляет 1015 грамм, они очень маленькие. К настоящему времени они уже испарились и темную материю составлять не могут. Однако они все еще очень интересны из-за квантовых эффектов. И Стивен Хокинг стал думать о возможности испарения черных дыр именно в тот момент, когда размышлял о первичных черных дырах. Только они достаточно малы, чтобы уже испариться.
Даже если черных дыр не существуют, предполагать их наличие было крайне полезно, иначе бы Хокинг не открыл испарение Хокинга, а это — один из наиболее захватывающих результатов физики ХХ века. Звучит забавно, но этот случай показывает, что иногда бывает полезно думать о чем-то несуществующем, потому что даже если первичные черные дыры не сформировались, размышления об их возможных свойствах привели к важному открытию.
Тем не менее, первичные черные дыры с массой 1015 грамм не могут составлять темную материю, потому что они уже должны были бы испариться. Конечно, у них может быть масса других интересных эффектов — например, они могут взрываться и создавать гамма-всплески. Однако для темной материи нужны объекты покрупнее — и они вполне могут существовать.
Если эти первичные черные дыры массивнее, чем наше Солнце, тогда они будут похожи на черные дыры, рожденные в результате коллапса звезд. Мы будем наблюдать их как источники мощного рентгеновского излучения и гравитационные линзы, они будут поглощать материю и так далее. То есть их можно зарегистрировать и даже наложить на них ограничения.
Однако первичные черные дыры могут существовать и в другом промежутке масс — менее одной солнечной, но более 1015 грамм. Они меньше обычных, а значит, их труднее обнаружить. Тем не менее, способы все-таки существуют — например, через гравитационное линзирование.
Я провел очень много времени с коллегами в поисках ограничений по массе, и мы пришли к выводу, что существуют всего три небольших «окна». Одно — 1017–1015 граммов, эти черные дыры уже испарились; другое — близкое к лунным и планетарным массам, около 1023 граммов, просто потому что этот вариант не исключается разными типами наблюдений; и затем идет самое интересное окно — около 10 солнечных масс. Они могут служить гравитационными линзами и быть источником гравитационных волн. Есть шанс, что гравитационные волны, «пойманные» LIGO, исходили от первичных черных дыр, потому что они оказались намного более массивными, чем ожидалось. На сегодняшний день было зарегистрировано пять событий, и все черные дыры оказались больше, чем предсказывалось изначально. Например, черные дыры, которые образуются при слиянии черных дыр, обладают меньшими размерами (считается, что они могут быть тем самым недостающим «переходным» звеном. — Прим. ред).
Это надежная гипотеза или пока что все находится только на стадии дискуссии?
Нет, это лишь возможность. Ничего определенного сказать нельзя. Зависит от того, куда ты идешь: если я пойду навстречу приверженцам теории первичных черных дыр, то услышу, что источником гравитационных волн были первичные черные дыры. Такая возможность рассматривается, и все статьи LIGO обращаются к первичным черным дырам. Понимаете, в науке каждый работает над тем, над чем хочет. Намного больше людей занимаются обычными звездами и звездной эволюцией, чем первичными черными дырами, поэтому те, кто изучают звезды, предпочли бы, чтобы сигналы, зарегистрированные LIGO, появлялись благодаря обычным звездам. Однако небольшая доля исследователей, работающих над первичными черными дырами, конечно, предпочла бы, чтобы источником были первичные черные дыры.
Это ничего не говорит нам об истине, я лишь обращаю внимание на то, что на астрономов до некоторой степени влияет область их работы. Я работал над первичными черными дырами почти 50 лет, поэтому надеюсь, что они реальны. Однако я принадлежу к меньшинству. Ученые, которые работают над другими типами темной материи, предпочли бы, чтобы правы оказались именно они. Но в действительности мы пока не знаем, кто прав, так как у нас нет доказательств.
Могли бы небольшие первичные черные дыры быть источником быстрых радиовспышек, которые зарегистрировала обсерватория Паркса и другие крупные радиотелескопы?
Не обязательно, но некоторые считают, что они могут быть связаны с источниками быстрых радиовсплесков. Все, что тут можно сделать — наложить ограничения на число и параметры черных дыр, которые не противоречат наблюдениям: если бы первичных черных дыр с определенной массой и плотностью было бы больше, мы бы видели радиовсплески чаще. Однако полностью исключить небольшие первичные черные дыры нельзя. Взрывы таких дыр могут ионизировать Вселенную, излучать электрон-позитронные потоки, так что, в принципе, они могут также отвечать за многие другие процессы.
Существует ли список критериев, по которому можно узнать, что мы видим первичную черную дыру при радиовспышке или другом электромагнитном событии?
Я не могу точно ответить на этот вопрос в контексте быстрых радиовсплесков, потому что здесь очень много моделей — как и с гамма-всплесками. На протяжении двадцати лет мы знали об их существовании, но не могли указать на их источник. И только благодаря LIGO мы узнали, что гамма-всплески могут происходить при слиянии нейтронных звезд. Однако предполагалось также, что небольшая часть коротких гамма-всплесков могла быть вызвана взрывами черных дыр. Довольно волнительно думать, удастся ли тебе найти взрывающиеся черные дыры, о которых говорил Хокинг. Это не самая популярная гипотеза, но это возможно.
Каждый раз, когда у нас появляется объяснение некоего явления, требующее наличия первичных черных дыр, необходимо спросить себя: возможно ли другое объяснение? И всегда другое объяснение есть. Поэтому не так-то просто получить однозначные доказательства, что наблюдаемое событие было вызвано первичной черной дырой. То же самое относится и к гравитационным волнам — доказать, что их источником были первичные черные дыры, будет нелегко.
Источник N+1
