Вселенная сегодня. Скопления первичных чёрных дыр могут встречаться по всей Вселенной

Существование этих миниатюрных чёрных дыр или первичных чёрных дыр (ПЧД) впервые было предложено несколько десятилетий назад. Исследователи предложили их в качестве объяснения для тёмной материи, невидимого вещества, которое оказывает значительное гравитационное влияние на другие объекты.

Большинство объяснений тёмной материи связаны с гипотетическими частицами со специальными свойствами. Но некоторые исследователи считают, что рой маленьких чёрных дыр, движущихся, подобно облакам, в космосе, более правдоподобный вариант. Новое исследование объясняет, откуда могли взяться эти ПЧД и как астрономы могли бы обнаружить следы их рождения.

Откуда взялись маленькие чёрные дыры?

Модель чёрной дыры. Авторы и права: Tetra Quark / Wikimedia Commons, CC BY-SA.

На этой иллюстрации показана эволюция Вселенной, от Большого Взрыва слева до современности справа. Авторы и права: NASA.

Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.

Чёрная дыра – это сингулярность, бесконечно плотная точка в пространстве, заполненная материей. Этот объект искажает пространство-время и окружает себя “горизонтом событий”, сферической областью, за пределы которой не может выйти даже свет.

Законы общей теории относительности позволяют чёрным дырам существовать в любом масштабе; сожмите яблоко достаточно сильно, и оно превратится в чёрную дыру, но она будет невероятно крошечной.
Большинство теорий ПЧД предполагают, что эти объекты имеют массу небольших планет, а их горизонты событий – размером с грейпфрут.

“Это любопытная идея, которая всё ещё находится на грани физики чёрных дыр и тёмной материи”, – сказал Джои Нилсен, физик из Университета Вилланова.

Но в последнее время, когда другие теории, объясняющие происхождение тёмной материи оказались несостоятельными, некоторые исследователи опять заговорили о первичных чёрных дырах.

Однако, если ПЧД существуют, то они должны быть очень старыми. В современной Вселенной есть только два известных метода создания новых чёрных дыр из нормального вещества: звёзды, которые намного тяжелее Солнца, сталкиваются или взрываются. Итак, каждая известная чёрная дыра весит больше, чем вся Солнечная система (иногда намного больше).

Создание маленьких чёрных дыр требует совершенно другого набора механизмов и ингредиентов.

Эти ингредиенты будут “веществом” Большого взрыва, тем же самым веществом, что создало первые звёзды и галактики.
Сразу после Большого взрыва только начавшая расширяться Вселенная была заполнена горячей, плотной, в значительной степени недифференцированной материей, расширяющейся во всех направлениях. В этом болоте были небольшие очаги турбулентности – всё ещё видимые как флуктуации космического микроволнового фона, послесвечения Большого взрыва – и эти флуктуации дали структуру Вселенной.

“Если в точке А мы имеем немного большую плотность, то близлежащее вещество будет притягиваться к точке А под действием силы гравитации”, – сказал Нилсен. “И на протяжении всей истории Вселенной это притяжение заставляет газ и пыль сливаться, коллапсировать и формировать звёзды, галактики и все структуры во Вселенной, о которых мы знаем”.

Большинство теорий ПЧД предполагают очень сильные флуктуации в ранней Вселенной, более сильные, чем те, которые сформировали галактики.

В новой статье исследователи помещают эти сильные колебания в период, известный как “инфляция”. За первую тысячу миллиардов миллиардов миллиардных долей секунды после Большого взрыва Вселенная расширилась экспоненциально быстро. Исследователи полагают, что это быстрое раннее расширение придало пространству-времени его нынешнюю “плоскую” форму и, вероятно, предотвратило искривление пространства.
Исследователи предположили, что во время инфляции могли быть моменты, когда всё пространство-время сильно искривлялось, прежде чем в конечном итоге выпрямиться. Эти короткие искривления, однако, вызвали бы флуктуации в расширяющейся Вселенной, достаточно интенсивные, чтобы в конечном итоге сформировать большую популяцию чёрных дыр земной массы.

Как найти крошечные чёрные дыры?

Пульсар PSR B1957 + 20 находится в двойной системе. Авторы и права: Dr. Mark A. Garlick; Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto.

Космический лазерный интерферометр LISA в представлении художника. Авторы и права: EKA.

Исследователи заявили, что самый простой способ доказать правильность предложенной ими теории – это поискать “вторичные гравитационные волны”.

Эти волны, намного более слабые, чем гравитационные волны, возникающие при столкновении чёрных дыр, будут исходить от тех же возмущений, которые сформировали ПЧД. Это были бы тонкие колебания во Вселенной, неслышимые для современных детекторов. Но будущие методы могут помочь их найти.
Один подход: временные массивы пульсаров. Космос заполнен вращающимися нейтронными звёздами, известными как пульсары, которые при вращении посылают к Земле вспышки энергии через определённые промежутки времени. Пульсары подобны точным, предсказуемым тикающим часам в небе, но их сигналы могут искажаться гравитационными волнами. Вторичная гравитационная волна, проходящая между Землёй и пульсаром, искривляет пространство-время, заставляя пульсацию приходить немного раньше или позже – это именно то, что могли бы обнаружить временные массивы пульсаров.

Однако у этой идеи есть проблема: временные массивы пульсаров будут полагаться на точное обнаружение тактов пульсаров, излучающих радиоволны. И один из самых важных радиодетекторов в мире, гигантский телескоп Аресибо в Пуэрто-Рико, недавно был разрушен.

Но даже если качественный эксперимент по наблюдению за пульсарами не состоится в ближайшие 15 лет, следующее поколение детекторов гравитационных волн должно быть достаточно чувствительным, чтобы улавливать эти вторичные гравитационные волны.
Прямо сейчас детекторы гравитационных волн, находящиеся глубоко под землёй, ищут флуктуации в пространстве-времени, измеряя изменения во времени прохождения света на больших расстояниях. Но другие эффекты – небольшие землетрясения, волны, ударяющиеся о далёкие берега, и даже кролики, прыгающие над детекторами – могут испортить сигнал. В 2034 году Европейское космическое агентство планирует запустить космическую антенну с лазерным интерферометром или LISA, гораздо более чувствительный космический детектор гравитационных волн, который позволит устранить эти погрешности и обнаружить вторичные гравитационные волны.

Такое обнаружение, отметили исследователи, докажет, что ПЧД составляют большую часть (если не всю) тёмной материи во Вселенной.

Источник

• Ключевые слова: дыр,Вселенн,первичн,скоплен,черн