Самый дорогой телескоп проверит теорию Хокинга о черных дырах

В 1970-х физиик Стивен Хокинг предположил, что темная материя - невидимая субстанция, которая составляет большую часть материи в космосе - может состоять из черных дыр, образовавшихся в самые ранние моменты Большого взрыва.

Теперь три астронома разработали теорию, объясняющую не только существование темной материи, но и появление самых больших черных дыр во Вселенной.

"Что лично меня очень захватывает в этой идее, так это то, как она элегантно объединяет две действительно сложные проблемы, над которыми я работаю, - задачу исследования природы темной материи и образования и роста черных дыр - и решает их одним махом", - заявил соавтор исследования Приямвада Натараджан, астрофизик из Йельского университета. Более того, несколько новых инструментов, в том числе только что запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба, могут предоставить данные, необходимые для окончательной оценки знаменитой идеи Хокинга.

Темная материя составляет более 80% всей материи Вселенной, но она никак не взаимодействует напрямую со светом. Она просто плавает в космосе, будучи массивной, влияя на гравитацию внутри галактик.

Заманчиво думать, что причиной этого неуловимого материала могут быть черные дыры. В конце концов, черные дыры считаются невидимыми, поэтому заполнение галактики черными дырами теоретически могло бы объяснить все наблюдения темной материи.

К сожалению, в современной Вселенной черные дыры образуются только после смерти массивных звезд, а затем коллапсируют под тяжестью собственной гравитации. Таким образом, для создания черных дыр требуется много звезд, а для этого требуется куча нормального вещества. Ученые знают, сколько нормального вещества находится во Вселенной, из расчетов ранней Вселенной, где образовались первые водород и гелий. А нормальной материи просто не хватает, чтобы образовать всю наблюдаемые астрономами темную материю.

Вот тут-то и появился Хокинг. В 1971 году он предположил, что черные дыры образовывались в хаотической среде самых ранних моментов Большого взрыва. Там материя могла самопроизвольно достигать плотности, необходимой для образования черных дыр, заполняя ими космос задолго до того, как первые звезды засверкали. Хокинг предположил, что эти "изначальные" черные дыры могут быть ответственны за темную материю. Хотя идея была интересной, большинство астрофизиков вместо этого сосредоточились на поиске новой субатомной частицы для объяснения темной материи.

Более того, модели образования первичных черных дыр столкнулись с проблемами наблюдения. Если их слишком много образовалось в ранней Вселенной, они изменили бы картину остаточного излучения ранней Вселенной, известного как космический микроволновый фон (КMФ). Это означало, что теория работала только тогда, когда количество и размер древних черных дыр были достаточно ограниченными, иначе это противоречило бы измерениям реликтового излучения. .

Идея была возрождена в 2015 году, когда гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром обнаружила первую пару сталкивающихся черных дыр. Две черные дыры были намного больше, чем ожидалось, и один из способов объяснить их большую массу - сказать, что они образовались в ранней Вселенной, а не в сердцах умирающих звезд.

В последнем исследовании Натараджан, Нико Каппеллути из Университета Майами и Гюнтер Хасингер из Европейского космического агентства глубоко погрузились в теорию первичных черных дыр, исследуя, как они могут объяснить темную материю и, возможно, решить другие космологические проблемы.

Чтобы пройти текущие наблюдательные тесты, изначальные черные дыры должны находиться в определенном диапазоне масс. В новой работе исследователи предположили, что первичные черные дыры имели массу примерно в 1,4 раза больше массы Солнца. Они построили модель Вселенной, которая заменила всю темную материю этими довольно светлыми черными дырами, а затем искали данные наблюдений, которые могли бы подтвердить (или исключить) эту модель.

Команда обнаружила, что первичные черные дыры могут играть важную роль во Вселенной, заселяя первые звезды, первые галактики и первые сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Наблюдения показывают, что звезды, галактики и сверхмассивные черные дыры появляются в космологической истории очень быстро, возможно, слишком быстро, чтобы их можно было объяснить процессами формирования и роста, которые мы наблюдаем в современной Вселенной.

"Изначальные черные дыры, если они действительно существуют, вполне могут быть семенами, из которых формируются все сверхмассивные черные дыры, включая дыру в центре Млечного Пути", - сказал Натараджан.

А теория проста и не требует целого ряда новых частиц для объяснения темной материи.

"Наше исследование показывает, что без введения новых частиц или новой физики мы можем разгадать загадки современной космологии, от природы самой темной материи до происхождения сверхмассивных черных дыр", - говорится в заявлении Каппеллути.

Пока это только модель, но ее можно будет опробовать относительно скоро. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который запустили после долгих лет задержки, специально разработан, чтобы ответить на вопросы о происхождении звезд и галактик. А следующее поколение детекторов гравитационных волн, особенно космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), готово раскрыть гораздо больше о черных дырах, в том числе о первичных, если они существуют.

Вместе две обсерватории должны дать астрономам достаточно информации, чтобы собрать воедино историю первых звезд и, возможно, происхождение темной материи.