Международная группа исследователей, среди которых были и ученые из НИЯУ МИФИ, предложила новые способы измерения возможного вклада первичных черных дыр в темную материю. Наиболее вероятными кандидатами астрономы считали те из них, слияния которых недавно обнаружил «гравитационный телескоп» LIGO (обсерватория, регистрирующая гравитационные волны). Для этого астрономы показали, какие телескопы вероятнее всего смогут различить следы загадочных черных дыр.
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 новой работы, 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, т.к. звезды рождаются с ненулевым моментом вращения, который в силу сохранения при коллапсе приводит к увеличению угловой скорости
При этом высокая частота слияний таких неизвестно как возникших черных дыр, которую регистрирует LIGO, довольно велика. То есть весьма вероятно, что они действительно широко распространены во Вселенной. Такого распространения логичнее всего ожидать для так называемых первичных черных дыр (ПЧД), возраст которых сравним с возрастом самой Вселенной.
Исследователи дополнительно подчеркивают, что вдобавок к этим странностям астрономы наблюдали странные колебания в фоновых инфракрасном и, одновременно, рентгеновском излучениях. Если во Вселенной действительно много первичных черных дыр средних масс, они могут как случайно, так и под действием своей гравитации группироваться, притягивая к себе обычную материю. Это будет приводить к раннему звёздообразованию и эффектам аккреции вещества в таких областях, что будет давать искажения в фоновом ИК- и рентгеновском излучениях.
Так что такое первичные черные дыры? О том, что черные дыры могут рождаться в ранней Вселенной, задолго до звездной стадии предположили еще в 1967 году отечественные ученые Я.Б. Зельдович и И.Д. 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 В.Б. Брагинского. После открытия LIGO предметом обсуждений очень многих работ стал вопрос, можно ли с помощью ПЧД промежуточных масс реально объяснить всю скрытую массу Вселенной и как это проверить.
«Группа МИФИ предложила (под руководством проф. С.Г. Рубина и М.Ю. Хлопова) 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, или все же нет.
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.