Крошечные чёрные дыры, образовавшиеся через несколько секунд после рождения Вселенной, могут существовать дольше, чем предполагалось. И это натолкнуло исследователей на мысль, что первичные чёрные дыры могут быть источником тёмной материи — самого загадочного вещества во Вселенной.
Тёмная материя в настоящее время представляет собой одну из самых острых проблем в физике. Это связано с тем, что, несмотря на то, что она составляет примерно 85% материи в космосе, она остаётся практически невидимой для наших глаз, поскольку не взаимодействует со светом. Исследование было опубликовано в 2024 году на сайте Space.com.
Поскольку частицы, из которых состоят атомы, составляющие «повседневные» объекты, которые мы видим, такие как звёзды, планеты и наши собственные тела, явно взаимодействуют со светом, это побудило к поиску частиц тёмной материи за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Многие учёные считают, что ответ всё ещё может лежать в Стандартной модели, если рассмотреть космические объекты, которые мы обычно считаем невероятно массивными и даже чудовищными: чёрные дыры.
Валентин Тосс и Ана Александр из Института Макса Планка предполагают, что крошечные чёрные дыры, образовавшиеся более 13,8 миллиардов лет назад, сразу после Большого взрыва, размером не больше протона, могут образовывать скопления, которые могут стать потенциальным источником тёмной материи, без необходимости открытия новой физики.
Иллюстрация облака темной материи. Может ли это быть на самом деле скоплением черных дыр? Рентген: НАСА/CXC/CfA/М.Маркевич и др.; Оптика: НАСА/STScI; Магеллан/Университет Аризоны/Д.Клоу и др.; Карта линзирования: НАСА/STScI; ESO WFI; Магеллан/Университет Аризоны/Д.Клоу и др.
Недавнее изменение взглядов на то, как «испаряются» черные дыры, привело не только к переоценке возможности существования первичных черных дыр как источников темной материи, но и, поскольку поиски частиц темной материи по-прежнему в основном не увенчались успехом, больше исследователей могли бы начать более серьезно рассматривать теорию первичных черных дыр как источник темной материи.
«Как следует из названия, „первичные чёрные дыры“ — это тип чёрных дыр, которые образуются в начале существования Вселенной», — рассказал Тосс в интервью Space.com. «Фактически, в течение первой доли секунды существования Вселенной».
Он объяснил, что все структуры, которые мы наблюдаем во Вселенной, от сверхскоплений галактик до самих галактик, образовались из небольших участков повышенной плотности в пространстве, присутствовавших в ранней Вселенной. Если ранняя Вселенная испытывала гораздо более сильные флуктуации плотности, чем те, которые создали эти образования, и эти флуктуации коллапсировали раньше, чем сформировались галактики, то эти участки повышенной плотности могли бы стать основой для образования первичных чёрных дыр.
Анатомия чёрной дыры. Независимо от размера, у всех чёрных дыр есть горизонты событий. ESO
Тосс добавил, что, в зависимости от времени и масштаба коллапса, эти первичные чёрные дыры могли бы иметь очень разную массу. Первичные чёрные дыры, которые Тосс и Александр считали возможными кандидатами на тёмную материю, имели бы массу от нескольких тонн до тысячи тонн, что меньше массы планеты и больше соответствует массе небольшого астероида.
Учитывая, что самые маленькие черные дыры, обнаруженные учеными на сегодняшний день, известные как черные дыры звездной массы, имеют массу, эквивалентную от 3 до 50 масс Солнца, которая сама по себе составляет 2,2 умножить на 10 в 27-й степени (22 с 26 нулями) тонн, эти первичные черные дыры невероятно малы.
По словам Александра, подобно своим более крупным аналогам – чёрным дырам, образовавшимся либо в результате коллапса массивных звёзд, либо в результате слияния относительно меньших чёрных дыр, – первичные чёрные дыры имели бы задерживающую свет внешнюю границу, называемую горизонтом событий. Диаметр этого горизонта определяется массой чёрной дыры, а значит, в таких случаях горизонт событий был бы невероятно мал. «Меньше радиуса протона», – сказал Александр.
Ранее небольшие первичные черные дыры исключались из числа кандидатов на темную материю, поскольку считалось, что все черные дыры «утекают» из особого типа теплового излучения, впервые предложенного Стивеном Хокингом в 1974 году и позднее названного «излучением Хокинга».
Схема, показывающая историю расширения Вселенной. Первичные чёрные дыры могли возникнуть из-за флуктуаций плотности ещё до появления первых звёзд. NASA/WMAP Science Team/Изображение Даны Берри
Чем меньше чёрная дыра, тем быстрее она должна испускать излучение Хокинга и, следовательно, тем быстрее она должна испаряться. Это означает, что если первичные чёрные дыры когда-либо существовали, то самых маленьких их образцов сегодня быть не должно, хотя тёмная материя, очевидно, существует.
«Первичные черные дыры с массами, которые мы с Аной сейчас рассматриваем, ранее по сути считались исключенными, поскольку предполагалось, что к этому моменту они полностью испарились во Вселенной», — сказал Тосс.
Однако недавняя работа Георгия Двали, физика-теоретика из Мюнхенского университета, работавшего в сотрудничестве с Тоссом и Александром, показала, что процесс испарения в определённый момент прекращается. Это означает, что первичные чёрные дыры с массами, которые рассматривали учёные, могут достичь полустабильного состояния.
Смотрите также... Перед новым, 2026 годом, марсоход Curiosity почти завершил исследование горы Шарп Процесс адаптации космонавтов к земной гравитации после длительного пребывания в космосе |
«Чтобы уменьшить свою массу посредством излучения Хокинга, чёрная дыра должна „переписать“ свою информацию или что-то ещё. Этот процесс перезаписи занимает время», — пояснил Александр. «Это называется „бременем памяти“, потому что эта память теперь должна быть передана чему-то другому, и это просто замедляет общий процесс испарения. Так что это своего рода стабилизация».
Этот „механизм спасения“ означает, что первичные чёрные дыры снова становятся потенциальными кандидатами на тёмную материю.
Однако тот факт, что первичные чёрные дыры могут существовать во Вселенной сегодня, не означает, что их следует считать источниками тёмной материи. Однако есть и другие причины связывать эти крошечные гипотетические чёрные дыры с загадочной материей, составляющей Вселенную.
Возможно, самая очевидная связь — это отсутствие взаимодействия тёмной материи со светом. Тёмная материя не излучает и не отражает свет, а горизонт событий, ограничивающий все чёрные дыры, представляет собой точку, в которой вторая космическая скорость, необходимая для его пересечения, превышает скорость света. Это означает, что первичные чёрные дыры «захватывали» бы весь падающий свет, что приводило бы к кажущемуся отсутствию взаимодействия.
Иллюстрация, показывающая скопление крошечных первичных чёрных дыр, которые могут быть причиной тёмной материи. Роберт Ли
«Если первичные чёрные дыры достаточно лёгкие, где-то с планетарной массой, они ведут себя как частицы тёмной материи во всех интересующих нас случаях», — сказал Тосс. «В стандартных моделях тёмная материя „бесстолкновительна“, поэтому частицы тёмной материи не взаимодействуют друг с другом в такой степени, чтобы это оказывало влияние на Вселенную».
Он добавил, что если первичные чёрные дыры легче планетарных масс, то даже в космических масштабах времени они были бы настолько малы, что столкновения происходили бы крайне редко. Эти первичные чёрные дыры, скорее всего, группировались бы, создавая гравитационные эффекты, которые мы сейчас приписываем тёмной материи, например, оказывая гравитационное воздействие, препятствующее разлету быстро вращающихся галактик.
Однако если первичные чёрные дыры должны группироваться, чтобы объяснить эффекты тёмной материи, что мешает им сблизиться и объединиться, образуя более крупные чёрные дыры? Разве скопление крошечных чёрных дыр в конечном итоге не превратится в одну огромную чёрную дыру? Тосс сказал, что этот вопрос исследовался, и ответ прост: «Нет».
«Даже если принять во внимание кластеризацию, временные масштабы слияния настолько велики, что за всю историю Вселенной они могли бы объединиться только в действительно массивные черные дыры», — продолжил он.
Тосс добавил, что прелесть использования первичных черных дыр в качестве объяснения темной материи заключается в том, что, в отличие от предположения о гипотетической частице, такой как аксион, для объяснения этой загадки, первичные черные дыры не требуют расширения Стандартной модели физики элементарных частиц — лучшего из имеющихся у нас объяснений Вселенной на субатомных масштабах.
Тем не менее, будет невероятно сложно подтвердить, что первичные чёрные дыры являются тёмной материей, если они действительно объясняют этот феномен. Опять же, их способность улавливать свет означает, что они фактически невидимы. Кроме того, при столь малых размерах они не оказывают такого же мощного гравитационного воздействия, как их звёздные и сверхмассивные собратья.
Даже в этом случае, если будет обнаружено скопление первичных черных дыр, не будет реального способа отличить множество маленьких черных дыр от одной большой черной дыры.
Несмотря на эту трудность, Тосс и Александр намерены продолжать исследовать первичные чёрные дыры — по крайней мере, теоретически. Если частицы-кандидаты на тёмную материю по-прежнему не проявляют себя, возможно, решение заключается в том, чтобы привлечь больше физиков к метафорическому анализу границы между физикой элементарных частиц и космологией.
«Я бы не сказал, что первичные чёрные дыры когда-либо отвергались как кандидаты на тёмную материю; хотя какое-то время их игнорировали», — сказал Александр. «Сейчас, учитывая, что у нас нет никаких данных о частицах тёмной материи, я думаю, что рассмотрение этого варианта становится всё более актуальным».
Следующая теория: темная материя, самое загадочное «вещество» во Вселенной, может быть своего рода космическим посредником, позволяющим сверхмассивным черным дырам преодолеть последнее препятствие перед столкновением и слиянием в одно целое.
Астрономы уже давно поняли, что когда галактики сталкиваются, образуя более крупные, деформированные галактики, сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в их центрах, также притягиваются друг к другу. В конце концов, эти чёрные дыры также сливаются, порождая ещё более чудовищную сверхмассивную чёрную дыру и пронзительный «крик» в самой ткани пространства и времени, называемый гравитационными волнами. Алонсо-Альварес и выводы его команды обсуждаются в статье, опубликованной 9 июля 2025 года в журнале Physical Review Letters.
Хотя обнаружение гравитационных волн предоставило нам доказательства этого процесса столкновения и стало поистине основополагающим для нашего понимания того, как сверхмассивные черные дыры приобретают массы, эквивалентные миллионам или даже миллиардам солнц, существует нерешенная проблема.
На диаграмме показаны три основные стадии слияния черных дыр, где стадия 2 представляет собой теоретическую фазу, объясняющую окончательную проблему парсека. Роберт Ли. Space.com
Астрофизики располагают хорошими моделями поздних стадий слияния сверхмассивных чёрных дыр, но учёные до сих пор не до конца понимают, как эти космические гиганты преодолевают последние 3,3 световых года (также известные как «парсек») между собой, чтобы запустить процесс слияния. Эта проблема получила название «проблема последнего парсека».
Тёмная материя могла бы помочь сверхмассивным чёрным дырам начать процесс слияния, но эта теория работает только при условии взаимодействия частиц тёмной материи друг с другом.
Процесс слияния сверхмассивных чёрных дыр сложен, поскольку он основан на том, что чёрные дыры находят друг друга, образуют двойную систему, а затем орбитальное расстояние между ними медленно сокращается. Когда расстояние между двумя чёрными дырами составляло около парсека, учёные были обеспокоены, поскольку, согласно существующим расчётам, слияние, казалось, застопорилось.
Это открытие, основанное на математическом моделировании и на взаимодействии тёмной материи с самим собой. Более конкретно, чтобы стать посредником между чёрными дырами, частицы тёмной материи должны рассеиваться при столкновении.
Круговая диаграмма, показывающая, насколько темная материя превосходит «обычную» материю во Вселенной, из которой состоит все, что мы видим вокруг. Роберт Ли. Space.com
По этой причине следование этой теории может не только разрешить последнюю проблему парсека, но и, возможно, наконец-то выяснить, из чего состоит темная материя, тем самым разгадав одну из самых фундаментальных загадок в науке.
Темная материя, возможно, не только состоит из частиц, которые не вписываются в наилучшую из имеющихся у нас моделей субатомного мира, но и абсолютно превосходят частицы «повседневной» материи по массе.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Частицы темной материи «превосходят» обычные частицы в соотношении от 5 к 1 до 6 к 1. Это означает, что все «вещество», которое вы видите вокруг себя составляет всего 15% массы космоса.
Мы знаем о существовании тёмной материи, поскольку, несмотря на отсутствие взаимодействия со светом или обычной материей, тёмная материя взаимодействует с гравитацией. Когда это происходит, вызываемые ею эффекты могут влиять на поведение обычной материи и света. Например, исследователи обнаружили, что если бы не гравитационное влияние тёмной материи, гравитация, создаваемая массой звёзд, газа, планет и лун в галактиках, была бы недостаточной, чтобы предотвратить их разлет в стороны при стремительном движении.
Алонсо-Альварес объяснил, что при первом слиянии галактик их сверхмассивные чёрные дыры находятся далеко друг от друга. В конце концов, они начинают своё движение к центру сливающихся галактик, который станет местом их собственного слияния и сердцем вновь образованного конгломерата галактик.
Это путешествие облегчается потерей энергии черными дырами и происходит в три отдельных этапа.
На первом этапе чёрные дыры проносятся мимо множества звёзд и вступают с ними в гравитационное взаимодействие. Благодаря этому взаимодействию чёрные дыры меняют скорость и замедляются. Эта потеря скорости позволяет концентрации массы в центре слияния оказывать гравитационное воздействие на чёрные дыры, заставляя их довольно медленно двигаться навстречу друг другу.
Эта потеря энергии продолжает играть важную роль после того, как сверхмассивные чёрные дыры преодолевают последние 3,3 световых года и образуют двойную систему, что является третьей стадией этого процесса. В этот момент войды вращаются друг вокруг друга, генерируя гравитационные волны. Распространяясь от двойной системы, эти волны уносят с собой угловой момент, теряя, таким образом, кинетическую энергию вращения.
Эта очень эффективная потеря энергии приводит к тому, что две чёрные дыры сближаются, и их слияние становится необратимым. Чем плотнее становятся их орбиты, тем быстрее излучаются гравитационные волны. В конце концов, по мере того, как сверхмассивные чёрные дыры всё больше сближаются, их гравитационное влияние берёт верх, и они сталкиваются.
Второй этап — этап между передачей энергии звёздам и потерей энергии через гравитационные волны.
Взаимодействие со звёздами действительно эффективно только тогда, когда чёрные дыры находятся очень далеко друг от друга, то есть на расстояниях больше парсека, а гравитационное излучение проявляется только тогда, когда они находятся ближе, чем доли парсека.
Алонсо-Альварес и его коллеги предполагают, что когда сверхмассивные черные дыры достигают расстояния в 3,3 световых года и больше не могут передавать энергию звездам, темная материя берет верх и начинает отбирать энергию посредством процесса, называемого «динамическим трением».
Если чёрные дыры движутся в этой плотной „тёмной материи“, то они создают трение, подобное трению объекта, движущегося в вязкой жидкости. Если моделировать тёмную материю как жидкость, то взаимодействие между частицами тёмной материи придаёт ей высокую вязкость. Высокая вязкость обычной жидкости указывает на то, насколько трудно объекту пройти сквозь неё. В данном случае это трение создаётся только гравитацией. Оно никогда не взаимодействует с чёрной дырой посредством какой-либо другой силы, кроме гравитации.
Без рассеяния тёмной материи этот механизм просто не работал бы. Причина этого в энергии, которую чёрные дыры теряют из-за трения, а тёмная материя идёт на увеличение скорости частиц тёмной материи. Если бы не было вязкости, частицы тёмной материи были бы рассеяны далеко от этой конечной парсековой области.
Это означало бы, что через короткое время в этой центральной области больше не останется темной материи, способной создавать необходимое трение. Однако, если существует самовзаимодействие тёмной материи, происходит перераспределение этой энергии между частицами в центральной области галактики, так что тёмная материя не рассеивается.
Взаимодействие тёмной материи со сверхмассивными чёрными дырами также может объяснить расчёты гало тёмной материи вокруг галактик, формы которых не могут быть полностью объяснены моделями «холодной тёмной материи». Эти модели предполагают, что эта загадочная материя движется медленно (отсюда и её название «холодная») и не взаимодействует сама с собой. Если теория Алонсо-Альвареса и его коллег о посредниках тёмной материи верна, это может потребовать отхода от теории холодной тёмной материи.
Кроме того, для обеспечения взаимодействия между частицами тёмной материи необходима неизвестная частица-переносчик силы, и это исследование дало команде некоторые подсказки относительно природы этой частицы. Частица-переносчик силы, или бозон, действует как посредник, помогая другим частицам взаимодействовать. Например, электромагнитное взаимодействие использует фотоны, или частицы света, в качестве переносчиков силы, в то время как гравитация, как предполагается, использует бозон, называемый глюоном.
Две сверхмассивные чёрные дыры на фоне сети тёмной материи, которая их притягивает. Роберт Ли. Space.com
«Мы начали с очень наивной мысли, что самовзаимодействие тёмной материи должно просто помочь решить эту последнюю парсековую проблему, но мы не думали, что сможем предсказать, какие именно самовзаимодействия будут предпочтительными», — сообщил Алонсо-Альварес. «По мере того, как мы работали и совершенствовали наши расчёты, мы обнаружили, что на самом деле предпочтительна весьма специфическая модель, в которой переносчик взаимодействия имеет массу порядка 1% от массы частицы тёмной материи, и никакие другие из испытанных нами вариантов не сработали».
«Расчёты, которые мы провели для этой статьи, были чисто аналитическими. Сейчас мы работаем над созданием симуляций, чтобы лучше понять этот механизм», — сказал Алонсо-Альварес.
Физик добавил, что наблюдательные доказательства этой теории могут быть предоставлены коллекциями высокоточных вращающихся нейтронных звёзд, называемыми массивами пульсаров, которые учёные используют в качестве точных космических часов. Решающее значение для этого будет иметь изучение фонового «гула» космоса, называемого «гравитационным волновым фоном», который возникает в результате слияний сверхмассивных чёрных дыр на протяжении всей истории Вселенной.
«Можно рассмотреть влияние тёмной материи и трения на этот сигнал и сделать прогноз о том, как присутствие тёмной материи изменяет сигнал», — добавил Алонсо-Альварес. «Я думаю, самое интересное, что это можно одновременно сопоставить с доказательствами наличия самовзаимодействий тёмной материи в галактических масштабах, составляющих многие тысячи парсеков».
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
