Как связаны черные дыры и темная материя
Новые способы измерения возможного вклада первичных черных дыр в темную материю предложила международная группа исследователей, среди которых были и ученые из НИЯУ МИФИ. Наиболее вероятными кандидатами астрономы считали те черные дыры, слияния которых недавно обнаружил гравитационный телескоп LIGO (обсерватория, регистрирующая гравитационные волны). Астрономы показали, какие телескопы вероятнее всего смогут различить следы загадочных черных дыр, сообщает пресс-служба МИФИ.
Последние десятилетия астрофизики непрерывно ищут следы темной материи. Несмотря на то что по расчетам, основанным на вращении галактических дисков, такой материи в несколько раз больше обычной, найти ее следы все эти десятилетия не удавалось. Последние данные с Большого адронного коллайдера фактически закрыли возможность обнаружения экзотических частиц темной материи, так называемых вимпов.
Одновременно с провалом в поиске особых частиц темной материи астрофизику ждал неожиданный успех: гравитационная обсерватория LIGO начала регистрировать по нескольку гравитационных волн в год. Причем их источником были в основном слияния черных дыр промежуточных масс, в несколько десятков раз превышающих массу Солнца.
В 2017 году за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн три американских физика получили Нобелевскую премию. Реализованный в проекте LIGO метод регистрации гравитационных волн впервые в мире был предложен еще в 1961 году советскими физиками Владиславом Пустовойтом и Михаилом Герценштейном. Владислав Иванович дал эксклюзивное интервью «Стимулу», в котором подробно описал детали этого открытия и стечение обстоятельств, в результате которого Нобелевская премия обошла его стороной.
В новой работе, опубликованной на сервисе препринтов научных статей arXiv.org, авторы пишут, что масса сливающихся черных дыр стала для них сюрпризом. Оказалось, что она слишком велика для черных дыр, образующихся после вспышек сверхновых, и слишком мала для сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
Другим удивительным фактом оказалось то, что сливающиеся черные дыры либо почти не вращались, либо не вращались вообще. Однако у черных дыр звездного происхождения скорость вращения ожидается высокой, так как звезды рождаются с ненулевым моментом вращения, который в силу сохранения при коллапсе приводит к увеличению угловой скорости
При этом частота слияний таких неизвестно как возникших черных дыр, которую регистрирует LIGO, довольно велика. То есть весьма вероятно, что они широко распространены во Вселенной.
Всех этих особенностей логичнее всего ожидать для так называемых первичных черных дыр (ПЧД), возраст которых сравним с возрастом самой Вселенной.
Исследователи подчеркивают, что вдобавок к этим странностям астрономы наблюдали странные колебания в фоновых инфракрасном и одновременно рентгеновском излучениях. Если во Вселенной действительно много ПЧД средних масс, они могут как случайно, так и под действием своей гравитации группироваться, притягивая к себе обычную материю. Это будет приводить к раннему звездообразованию и к эффектам аккреции вещества в таких областях, что будет давать искажения в фоновых ИК- и рентгеновском излучении.
Так что же такое первичные черные дыры? О том, что черные дыры могли рождаться в ранней Вселенной, задолго до звездной стадии, предположили еще в 1967 году отечественные ученые Яков Зельдович и Игорь Новиков. Их стали называть первичными. С 1990-х годов, после первых результатов поиска компактных несветящихся объектов в гало галактики, стали всерьез допускать, что ПЧД могут составлять скрытую массу Вселенной. С этих пор проведено огромное количество исследований такой возможности. Искали самые разнообразные наблюдательные проявления ПЧД, относящиеся к самым разным их возможным массам. Но практически ничего не находили и накладывали на них ограничения. Результаты LIGO подняли новую большую волну интереса к гипотезе о существовании ПЧД. Стоит отметить, что в разработку методики обнаружения гравитационных волн внесли большой вклад отечественные физики под руководством Владимира Брагинского. После открытия LIGO предметом обсуждения в очень многих работах стал вопрос, можно ли с помощью ПЧД промежуточных масс объяснить всю скрытую массу Вселенной и как это проверить.
«Группа МИФИ (под руководством профессоров С. Г. Рубина и М. Ю. Хлопова) предложила свою уникальную модель возможного происхождения ПЧД. Ее уникальность в том, что в ней естественным образом ПЧД образуются в ранней Вселенной в виде скоплений. Это дает целый спектр новых возможностей в объяснении и результатов LIGO, и скрытой массы (избегая поставленные ранее ограничения), и других космологических и астрофизических загадок. Это делает эту модель особо привлекательной. Ведется активная работа по поиску различных способов ее проверки», — отметил ведущий научный сотрудник, доцент кафедры № 40 ИЯФиТ НИЯУ МИФИ Константин Белоцкий.
Авторы упомянутой работы отмечают, что окончательно понять, что происходит с этими черными дырами, можно только после того, как в 2020-х годах появятся принципиально новые телескопы. Но и с ними новые данные наблюдений корректно интерпретировать можно будет лишь теоретически. Только тогда ученые смогут понять, являются ли такие первичные черные дыры промежуточных масс основным компонентом темной материи.
Наиболее важными среди новых телескопов, способных прояснить проблему, авторы считают Euclid и WFIRST в инфракрасной части спектра, eROSITA и Athena в рентгеновском диапазоне и Gaia (уже действующий) для оптического диапазона. С помощью последнего астрономы хотят заметить микролинзирующие события — когда черные дыры, проходящие между далекой звездой и телескопом, заметно усиливают излучение удаленной звезды. В зависимости от того, насколько часто происходят такие события, можно понять и то, насколько распространены в нашей галактике такие черные дыры. Исходя из этого, можно узнать и то, насколько большая часть темной материи в ней приходится на такие древние черные дыры неясного происхождения.
Немецкий телескоп eRosita, созданный консорциумом во главе с Институтом внеземной физики Общества Макса Планка при поддержке Германского центра авиации и космонавтики (DLR), отправится в космос уже в июне этого года в составе российско-германской космической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр-РГ»). «Стимул» уже писал об этой обсерватории, для которой специалисты РФЯЦ–ВНИИЭФ разработали собственную российскую технологию изготовления рентгеновской металлооптики.