Экзотические черные дыры: ученые объяснили происхождение темной материи

Около 50 лет научное сообщество борется с значимой проблемой: во Вселенной недостаточно видимой материи.

Вся материя, которую мы видим — звезды, планеты, космическая пыль и все находящееся между ними — не может объяснить, почему Вселенная ведет себя так, как она ведет себя, и ее должно быть в пять раз больше, чтобы наблюдения исследователей имели смысл, согласно данным NASA. Ученые называют ее темной материей, поскольку она не взаимодействует со светом и невидима.

Об этом пишет CNN.

В 1970-х годах американские астрономы Вера Рубин и В. Кент Форд подтвердили существование темной материи, наблюдая за звездами, вращающимися на краю спиральных галактик. Они заметили, что эти звезды движутся слишком быстро, чтобы содержаться вместе с видимой материей галактики и ее гравитацией — вместо этого они должны разлетаться в разные стороны. Единственным объяснением было большое количество невидимой материи, связывавшей галактику вместе.

"То, что вы видите в спиральной галактике, — сказала тогда Рубин, — это не то, что вы получаете". Ее работа основывалась на гипотезе, сформулированной в 1930-х годах швейцарским астрономом Фрицем Цвикки, и дала толчок к поиску неуловимого вещества.

С этого времени ученые пытались наблюдать темную материю непосредственно и даже построили большие приборы для ее обнаружения, но пока безуспешно.

В начале поисков известный британский физик Стивен Гокинг предположил, что темная материя может скрываться в черных дырах – главном предмете его работы – образовавшихся во время Большого взрыва.

Новое исследование, проведенное учеными из Массачусетского технологического института, вернуло теорию в центр внимания, показав, из чего были сделаны эти первоначальные черные дыры, и, возможно, открыв совершенно новый тип экзотических черных дыр в этом процессе.

"Это был действительно сюрприз", — сказал Дэвид Кайзер, один из авторов исследования.

“Мы использовали знаменитые расчеты Стивена Гокинга о черных дырах, особенно его важный результат об излучении, которое испускают черные дыры, – сказал Кайзер. – Эти экзотические черные дыры появляются в результате попыток решить проблему темной материи – они являются побочным продуктом объяснения темной материи”.

Первая квинтиллионная доля секунды

Ученые выдвинули множество предположений относительно того, чем может быть темная материя, начиная от неизвестных частиц и заканчивая дополнительными измерениями. Но теория черных дыр Гокинга стала популярной только недавно.

“Люди не воспринимали ее всерьез 10 лет назад, – говорит соавтор исследования Эльба Алонсо-Монсальве, аспирантка Массачусетского технологического института. — А все потому, что когда-то черные дыры казались действительно неуловимыми — в начале 20 века люди думали, что это просто математический интересный факт, ничего физического у них нет».

Теперь мы знаем, что почти каждая галактика имеет черную дыру в своем центре, а открытие исследователями гравитационных волн Эйнштейна, созданных столкновением черных дыр в 2015 году – знаковая находка – дало понять, что они есть везде.

«На самом деле Вселенная кишит черными дырами, — говорит Алонсо-Монсальве. — Но частицы темной материи так и не были найдены, хотя люди искали во всех местах, где ожидали ее найти. Это не значит, что темная материя не является частью, или что это точно черные дыры. Это может быть комбинация того и другого. Но теперь к черным дырам как кандидатам в темную материю относятся гораздо серьезнее”.

Другие недавние исследования подтвердили справедливость гипотезы Гокинга, но работа Алонсо-Монсальве и Кайзера, профессора физики и профессора истории науки Гермесгаузена в Массачусетском технологическом институте, идет на шаг дальше и рассматривает, что именно произошло, когда первоначальные черные дыры впервые образовались.

Исследование, опубликованное 6 июня в журнале Physical Review Letters, показывает, что эти черные дыры должны были появиться в первую квинтиллионную долю секунды Большого взрыва. "Это очень рано, и гораздо раньше, чем образовались протоны и нейтроны, частицы, из которых все состоит", — говорит Алонсо-Монсальве.

В нашем повседневном мире мы не можем найти протоны и нейтроны в расщепленном виде, добавила она, и они действуют как элементарные частицы. Однако мы знаем, что это не так, потому что они состоят из еще меньших частиц, называемых кварками, соединенных между собой другими частицами, называемыми глюонами.

“Сейчас во Вселенной невозможно найти кварки и глюоны в одиночку и свободно, потому что она слишком холодная, – добавила Алонсо-Монсальве. — Но в начале Большого взрыва, когда было очень горячо, их можно было найти единичными и свободными. Итак, первоначальные черные дыры образовались путем поглощения свободных кварков и глюонов.

Такое формирование сделало бы их принципиально отличными от астрофизических черных дыр, которые ученые обычно наблюдают во Вселенной и являются результатом коллапса звезд. Кроме того, первоначальная черная дыра была бы намного меньше – лишь масса астероида, в среднем сконденсированная в объеме одного атома. Но если достаточное количество этих первичных черных дыр не улетучилось во время раннего Большого взрыва и дожило до наших дней, они могли бы объяснить всю или большую часть темной материи.

Долговременная подпись

Согласно исследованию, при образовании первичных черных дыр как побочный продукт должен был образоваться другой тип ранее невиданных черных дыр. Они были бы еще меньше — только масса носорога, сжатая в объем меньше объема одного протона.

Эти скудные черные дыры, благодаря своему маленькому размеру, смогли бы перенять из кварк-глюонной массы, в которой они образовались, редкое и экзотическое свойство, называемое "цветным зарядом". По словам Кайзера, это состояние заряда, присущее исключительно кваркам и глюонам, которое никогда не встречается в обычных объектах.

Этот цветовой заряд делает их уникальными среди черных дыр, обычно не имеющих никакого заряда. "Неизбежно, что эти еще меньшие черные дыры также образовались бы как побочный продукт (образование первичных черных дыр), — говорит Алонсо-Монсальве, — но сегодня их бы уже не было, поскольку они бы уже испарились".

Однако, если они все еще существовали за десять миллионов частиц секунды до Большого взрыва, когда образовались протоны и нейтроны, они могли оставить видимые следы, изменив баланс между этими двумя типами частиц.

“Баланс между количеством протонов и нейтронов очень тонок и зависит от того, что еще было во Вселенной на тот момент. Если бы эти черные дыры с цветным зарядом все еще существовали, они могли бы сместить баланс между протонами и нейтронами (в пользу одних или других) как раз настолько, чтобы в течение следующих нескольких лет мы смогли это измерить», — добавила она.

По словам Кайзера, это можно сделать с помощью телескопов наземных или чувствительных инструментов на орбитальных спутниках. Но может быть и другой способ подтвердить существование этих экзотических черных дыр, добавил он.

“Создание популяции черных дыр – это очень бурный процесс, который повлек бы за собой огромные волны в окружающем пространстве-времени. В течение космической истории они будут ослабевать, но не до нуля, – сказал Кайзер. — Следующее поколение гравитационных детекторов может увидеть черные дыры малой массы — экзотическое состояние материи, которое является неожиданным побочным продуктом более обыденных черных дыр, что может объяснить темную материю сегодня».

Много форм темной материи

Что это означает для текущих экспериментов, пытающихся выявить темную материю, таких как LZ Dark Matter Experiment в Южной Дакоте?

“Идея о существовании экзотических новых частиц остается интересной гипотезой, – говорит Кайзер. — Существуют и другие виды больших экспериментов, некоторые из которых находятся в стадии разработки, которые ищут хитроумные способы обнаружения гравитационных волн. И они действительно могут уловить некоторые из блуждающих сигналов от очень бурного процесса формирования первичных черных дыр”.

Существует также возможность, что первобытные черные дыры – это лишь часть темной материи, добавляет Алонсо-Монсальве. “Это не обязательно должно быть одинаково, – сказала она. — Темной материи в пять раз больше обычной, а обычная материя образуется из множества различных частиц. Так почему же темная материя должна быть единственным типом объекта?”.

По словам Нико Каппеллути, доцента кафедры физики Университета Майами, первобытные черные дыры вновь обрели популярность с открытием гравитационных волн, однако об их формировании известно не так много, как хотелось бы. Он не участвовал в исследовании.

"Эта работа является интересным, жизнеспособным вариантом объяснения неуловимой темной материи", — сказал Каппеллути.

Исследование является увлекательным и предлагает новый механизм образования первого поколения черных дыр, сказала Приямвада Натараджан, профессор астрономии и физики имени Джозефа С. и Софии С. Фрутон из Йельского университета. Она также не участвовала в исследовании.

"Весь водород и гелий, которые мы имеем сегодня во Вселенной, были созданы за первые три минуты, и если бы достаточное количество этих первичных черных дыр существовало до тех пор, они повлияли бы на этот процесс, и эти эффекты можно было бы обнаружить", — сказала Натараджан.

"Тот факт, что эту гипотезу можно проверить с помощью наблюдений, я считаю действительно увлекательным, кроме того, что это свидетельствует о том, что природа, вероятно, создавала черные дыры, начиная с древнейших времен, разными путями", — добавила она.

Напомним, в центре яркой галактики OJ 287, расположенной на расстоянии примерно 4 миллиардов световых лет, есть двойная система черных дыр. Ученые сделали открытие благодаря масштабной вспышке, которая произошла еще в 2021 году.

Читайте ведущие новости дня: