Необычный сигнал может доказать существование первичных черных дыр

Возможно, астрофизики находятся на пороге открытия, способного подтвердить существование первичных черных дыр и пролить свет на природу темной материи. Исследователи из Университета Майами, опираясь на необычный сигнал, зафиксированный лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO, представили исследование, которое указывает на то, что этот сигнал может быть следствием слияния объектов, одним из которых является первичная черная дыра.

Первичные черные дыры, которые, как предполагается, сформировались в первую долю секунды после Большого взрыва, до сих пор остаются сугубо теоретическими объектами. Их диапазон масс простирается от астероидных до сверхмассивных. Если существование таких объектов будет подтверждено, это может объяснить природу темной материи — невидимого вещества, составляющего около 85% всей материи во Вселенной и выступающего в роли «гравитационного клея», удерживающего галактики вместе. Именно к такому выводу пришли Нико Каппеллути, доцент кафедры физики Колледжа искусств и наук, и его аспирант Альберто Магараджа.

Их работа опирается на недавнее событие, зафиксированное LIGO. В ноябре прошлого года обсерватория зарегистрировала необычный сигнал гравитационной волны, указывающий на слияние, в котором по крайней мере один из объектов имел массу менее одной солнечной массы. Это важно, поскольку большинство черных дыр образуется в результате взрыва сверхновых и их масса, как правило, варьируется от нескольких до миллиардов солнечных масс. Обнаружение субсолнечного объекта стало потенциальным указанием на его первичное происхождение, хотя некоторые астрофизики считают, что сигнал мог быть вызван шумом в детекторах.

Каппеллути и Магараджа убеждены, что у этого сигнала нет иного объяснения, кроме как рождение в высокоплотной среде ранней Вселенной, задолго до формирования первых звезд. В своем исследовании, которое будет опубликовано в одном из ближайших номеров The Astrophysical Journal и уже доступно на сервере препринтов arXiv, они попытались оценить, какое количество первичных черных дыр может существовать во Вселенной и сколько из них LIGO способна обнаружить. Полученные результаты оказались обнадеживающими: предсказывается, что такие субсолнечные объекты действительно должны быть редки, что согласуется с редкостью наблюдения подобных событий на сегодняшний день. По словам Каппеллути, их работа показывает, что наиболее правдоподобным объяснением сигнала LIGO, не имеющего традиционного астрофизического обоснования, является детектирование первичной черной дыры. Более того, исследование указывает на то, что эти гипотетические объекты могут составлять значительную часть, если не всю, темную материю.

Тем не менее, для полного понимания природы LIGO-детекции и ее связи с темной материей требуется гораздо больше работы. Сейчас ученые находятся в режиме ожидания. Необходимо, чтобы LIGO и его международные партнеры (объединенная сеть LVK, включающая детекторы Virgo в Италии и KAGRA в Японии) зарегистрировали еще один или несколько подобных сигналов, которые могли бы стать окончательным подтверждением реальности первичных черных дыр. Как отмечает Каппеллути, текущие данные нельзя исключать, и они являются очень сильным свидетельством в пользу существования таких объектов.

Стоит отметить, что сама идея существования первичных черных дыр была впервые предложена советскими учеными Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым. В начале 1970-х годов известный физик-теоретик Стивен Хокинг развил их работу, предположив, что эти объекты существуют в большом количестве, излучают энергию и могут объяснить загадку темной материи. Современные детекторы, такие как LIGO, начавший работу в 2015 году и ознаменовавший новую эру астрономии, позволяют проверять эти теории.

Будущие обновления LIGO сделают обсерваторию более чувствительной. Однако для наблюдения гравитационных волн, возникших в самые ранние эпохи после Большого взрыва, потребуются приборы нового поколения. Европейское космическое агентство планирует запустить в 2035 году лазерную интерферометрическую космическую антенну LISA. Кроме того, в настоящее время ведется проектирование наземной обсерватории Cosmic Explorer, которая будет в 10 раз чувствительнее LIGO и сможет регистрировать слияния черных дыр и нейтронных звезд вплоть до эпохи первых звезд.