На задворках Солнечной системы может "обитать" странная черная дыра
Намеки на существование мощного источника гравитации за пределами Плутона послужили стимулом для поиска потенциальной "Девятой планеты". Однако некоторые астрофизики считают, что это может быть черная дыра, образовавшаяся в результате Большого взрыва и открывающая перед нами уникальную возможность заглянуть в глубины ранней Вселенной.
Ученые пытаются понять, что собой представляет таинственный источник гравитации, скрывающийся на окраинах нашей Солнечной системы.
реклама
За планетами-гигантами во внешней части Солнечной системы простирается огромная космическая пустошь. Большинство астрономов считают, что она "населена" небольшими ледяными мирами, похожими на Плутон. Несколько групп ученых до сих пор пытаются отыскать там карликовые планеты. Однако в процессе работы некоторые из них пришли к мысли, что там "там" может скрываться нечто большее - планета, масса которой в несколько раз превышает массу нашей планеты.
Они считают, что этот гипотетический мир, известный как Девятая планета, выдает себя своей гравитацией, вернее тем, как эта гравитация "выровняла" орбиты множества маленьких ледяных тел (в Поясе Койпера). Проблема в том, что никто не может понять, как планета, достаточно крупная для этого, могла образоваться столь далеко от Солнца. "Все, что мы знаем, — это то, что существует объект определенной массы", - говорит Якуб Шольц, теоретик из Даремского университета в Великобритании. "Но наблюдения, которыми мы располагаем, не могут сказать нам, что это за объект".
Но если это не планета, тогда что? Ученые подозревают, что это может быть нечто еще более экзотическое - первичная черная дыра, образовавшаяся во время Большого взрыва. Если они правы, это будет поразительным открытием. Первичные черные дыры откроют перед нами новое окно в раннюю Вселенную. Возможно, в их состав даже входит темная материя - загадочная субстанция, благодаря которой галактики удерживаются вместе. Именно это объясняет, почему космологи так старательно прочесывают Вселенную в их поисках. При этом никто даже и предположить не мог, что мы можем отыскать такую штуку на заднем дворе нашей Солнечной системы.
реклама
Вопрос в том, как определить, что на самом деле представляет собой таинственный источник гравитации, скрывающийся на окраинах нашей Солнечной системы?
![]() |
Чудо-частица: Аксионы могут объяснить не только темную материю и темную энергию, но и кое-что еще |
Черные дыры — это настолько искривленные области пространства-времени, что их гравитация становится просто непреодолимой; ничто не может избежать их притяжения, даже свет. Их существование было предсказано в 1915 году благодаря общей теории относительности Альберта Эйнштейна. А спустя ровно столетие они были впервые зарегистрированы прямым методом, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаружила слабые пульсации в пространстве-времени, или гравитационные волны, вызванные столкновением и слиянием двух черных дыр.
С тех пор обсерватория LIGO сделала еще 50 с лишним открытий, многие из которых оказались не совсем такими, как ожидалось. Черные дыры, о существовании которых мы ранее догадывались на уровне теории и по их влиянию на близлежащую материю, делятся на две категории. Самые крупные — это сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах всех галактик во Вселенной, включая нашу собственную. Они эволюционируют путем слияния с другими черными дырами и превращаются в "огромные чудовища", масса которых в миллионы и даже миллиарды раз превышает массу нашего Солнца.
Существуют также черные дыры звездной массы. Они образуются в результате колоссальных взрывов, завершающих жизненный путь массивных звезд. Самая близкая из таких дыр находится на расстоянии около 1 000 световых лет от нашей планеты. Их масса как правило находится в пределах от пяти до 15 солнечных масс, и большинство астрономов предполагали, что LIGO фиксирует именно эти черные дыры. Но дело в том, что открытие 2015 года имело смысл только в том случае, если одна из сливающихся черных дыр была примерно в 35 раз, а другая - где-то в 30 раз больше массы Солнца.
реклама
Последующие обнаружения показали еще больше необъяснимых на первый взгляд масс черных дыр. В сигнале гравитационной волны GW190814 была обнаружена одна "чересчур" тяжелая черная дыра с массой около 23 солнечных масс и одна чрезвычайно легкая с массой около 2,6 солнечных масс. Позже ученые зарегистрировали событие GW190521, вызванное столкновением черных дыр с массами 85 и 66 солнечных масс. "Эти события очень трудно объяснить с помощью астрофизических сценариев. А вот если принять во внимание теорию первичных черных дыр - все становится довольно просто", - говорит Себастьен Клессе, космолог из Брюссельского университета в Бельгии.
Один из детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Лаборатория Калифорнийского технологического института//MIT/LIGO Lab
Крошечные и огромные черные дыры
Считается, что первичные черные дыры образуются в широком диапазоне масс, вплоть до масс планет или астероидов. Гипотетически они образовались в ранней Вселенной, когда смещающийся водоворот материи и энергии сжимался настолько плотно, что любое возмущение могло отбросить определенную область за пределы критической плотности, при которой она коллапсирует в черную дыру. Размер каждой из них зависит от условий, в которых она зародилась. Таким образом, должно существовать огромное количество первичных черных дыр самых разнообразных размеров.
Тем не менее, предположение о том, что девятая планета является одной из них, кажется несколько притянутым за уши, поскольку ее масса значительно меньше, чем у черных дыр, обнаруженных обсерваторией LIGO. В настоящее время принято считать, что загадочный источник гравитации за Плутоном — это планета, масса которой в пять-пятнадцать раз больше массы Земли. Именно к такой оценке пришли Скотт Шеппард из Научного института Карнеги в Вашингтоне и Чад Трухильо из Университета Северной Аризоны в 2014 году.
реклама
И чем больше Шольц и его коллега Джеймс Унвин из Университета Иллинойса размышляли о существовании Девятой планеты, тем больше им нравилось строить гипотезы о более экзотических событиях.
"Когда Унвин услышал теорию о Девятой планете на шоу в планетарии в Чикаго, он был очень взволнован", - вспоминает Шольц, - потому что сразу позвонил мне и сказал: "Знаете, ладно, может, это планета, и это здорово, а вдруг это что-то другое? Что это вообще может быть?".
Эти рассуждения были продиктованы теоретическими проблемами, связанными с формированием большой планеты на столь большом расстоянии от нашей звезды. Планеты Солнечной системы образовались из диска материи, окружающего Солнце. Проблема в том, что чем дальше от Солнца, тем материя становится более плотной. На том расстоянии, на котором будет находиться планета Девять, просто не хватит сырья, чтобы построить что-то настолько огромное.
Существует еще и альтернативный сценарий, согласно которому планета под номером девять образовалась гораздо ближе к Солнцу, а затем была отброшена во мрак гравитацией Юпитера или Сатурна. Однако это довольно проблематично, поскольку одно взаимодействие не способно справиться с такой задачей. Для того чтобы девятая планета никогда не вернулась туда, где она первоначально сформировалась, необходима целая череда определенных событий. По мнению Шольца, все это уже очень сильно похоже на совпадение или, как минимум, на повод для рассмотрения альтернативных вариантов.
![]() |
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной |
"Когда вы изучаете сценарии зарождения Девятой планеты - все они вызывают много вопросов", - говорит Шольц. На мысли о том, что таинственный массивный объект на краю Солнечной системы может быть первичной черной дырой, натолкнули его результаты другого любопытного наблюдения, сделанного астрономами намного раньше.
"Когда вы изучаете сценарии зарождения Девятой планеты - все они вызывают много вопросов", - говорит Шольц. На мысли о том, что таинственный массивный объект на краю Солнечной системы может быть первичной черной дырой, натолкнули его результаты другого любопытного наблюдения, сделанного астрономами намного раньше.
"Эта древняя черная дыра была бы размером примерно с грейпфрут".
Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), проводимый в основном на базе обсерватории Лас-Кампанас в Чили, наблюдает за звездами в центре Млечного Пути в поисках неожиданного увеличения яркости, вызванного гравитационным микролинзированием. Такое событие происходит, когда свет от фоновых источников отклоняется под воздействием движущихся мимо объектов, которые в противном случае были бы слишком малы или слишком тусклы, чтобы быть замеченными. Их можно обнаружить, потому что их орбиты временно оказываются на одной линии между Землей и звездой в центре галактики, в результате чего их гравитация фокусирует свет, заставляя звезду казаться ярче. Чем короче временной интервал такого эффекта, тем меньше масса интерферирующего объекта.
Из 2600 событий микролинзирования, зафиксированных OGLE в период с 2010 по 2015 год, шесть оказались "ультракороткими", длившимися менее полусуток. Пшемек Мруз из обсерватории Варшавского университета в Польше и его коллеги выдвинули предположение, что это могут быть планеты, свободно вращающиеся в межзвездном пространстве, не связанные с Солнечной системой. Однако в своей научной статье, опубликованной в 2019 году, Хироко Ниикура из Токийского университета в Японии и его коллеги доказали, что эти сигналы с таким же успехом могут быть порождены первичными черными дырами массой в несколько земных масс.
Одно из зеркал, отражающих лазерные лучи вдоль кронштейнов детектора. Лаборатория Калифорнийского технологического института//MIT/LIGO Lab
Когда Шольц ознакомился с этой статьей, он обнаружил нечто любопытное: расположение мини-миров во внешней части Солнечной системы указывало на наличие объекта, имеющего схожую массу с тем, что стоит за серией аномально коротких событий микролинзирования. Безусловно, это может быть просто совпадением. Но для Шольца и Унвина это стало своеобразным намеком на существование более широкой популяции ранее невидимых небесных объектов. И если это не планеты, то единственные, кто подходит под это описание, - первичные черные дыры.
В 2019 году Шольц и Унвин опубликовали работу под названием "Что, если планета № 9 — это первичная черная дыра?". В ней говорилось, что диаметр такой черной дыры составляет всего 9 сантиметров, то есть размером с грейпфрут. В статье также подробно объясняется, почему это предположение выглядит вполне логичным, и все упирается в способ, с помощью которого девятую планету - если бы это действительно была планета - "вытащить" на свою орбиту.
Если девятая планета образовалась за пределами нашей Солнечной системы, то единственный способ доставить ее сюда - похитить свободно плавающий объект, зародившийся в другой звездной системе и случайно оказавшийся рядом. Разные группы ученых предложили свои расчеты, каждый из которых показал, что это маловероятно, но не исключено. Впрочем, работа Шольца и Унвина показала, что захват Солнцем первичной черной дыры также крайне маловероятен.
Вне всяких сомнений, обнаружение первичной черной дыры в любой точке нашей Вселенной было бы, вы уж простите за некоторый пафос, грандиозным событием. Если ЧД, как и предполагается, распределены по Вселенной, то эти древние объекты способны одним махом решить несколько самых больших загадок космологии.
![]() |
Странный галактический мегакластер намекает на то, что с нашей Вселенной что-то не так |
Темные секреты
Возьмем, к примеру, темную материю - так называют невидимый гравитационный клей, который удерживает галактики вместе и способствует их формированию. На протяжении последних пятидесяти лет исследователи были убеждены, что она должна состоять из загадочных частиц - не тех, которые мы знаем, а странных, порождающих гравитацию и не взаимодействующих со светом. Проблема в том, что никто так и не смог обнаружить ни одной частицы темной материи, несмотря на миллиарды долларов, потраченных на эксперименты за все это время.
В последние годы исследователи не перестают спорить о том, что темная материя может состоять из гиганстких скоплений древних черных дыр. В сотрудничестве с Хуаном Гарсиа-Беллидо из Автономного университета Мадрида Клессе с помощью темпов слияния черных дыр, наблюдаемых LIGO, попытался определить, сколько всего ПЧД может существовать.Полученные результаты указывают на то, что в совокупности они могут действительно составлять значительную часть массы Вселенной. " Первичные черные дыры могут быть частью темной материей, - говорит Клессе.
Сформировавшись в первые мгновения существования нашей Вселенной, первичные черные дыры хранят в себе информацию о том, что происходило спустя доли секунды после Большого взрыва. Ученые считают, что это было "критическое время": силы природы обретали свои окончательные формы; материя, антиматерия и темная материя выстраивались в соответствующих пропорциях; а само пространство было охвачено экспоненциальной инфляцией, которая раздула Вселенную до невероятных размеров.
Впрочем, исследовать эту эпоху невероятно сложно. Оптические и радиотелескопы никогда не смогут заглянуть настолько далеко в прошлое. Они упираются в барьер где-то в районе 300 000 лет после Большого взрыва, когда плотность материи возрастает настолько, что "затуманивает взор". Попытка извлечь тонкий сигнал гравитационной волны, созданный в то далекое время, также потерпела неудачу, поскольку исследователи были сбиты с толку влиянием межзвездной пыли во Млечном Пути.
Обсерватория Веры К. Рубин в Чили. Rubin Obs/NSF/AURA
Первичные черные дыры, являющиеся реликтами эпохи зарождения Вселенной, могли бы многое изменить. "У нас вдруг появился бы способ поиска в прошлом, в событиях, которые мы не можем исследовать никаким другим образом", - говорит Гарсия-Беллидо.
Такие события происходили в разное время и поэтому, согласно теории, могли быть связаны с черными дырами самых различных масс. Кроме того, каждое такое событие могло повлиять на количество древних черных дыр, образовавшихся в тот момент. Проще говоря, анализ количества черных дыр разных масс должен рассказать нам о том, что происходило в то время. Масса "Планеты 9", например, позволяет предположить, что если это действительно древняя черная дыра, то она, вероятно, образовалась во время электрослабого взаимодействия, когда электромагнетизм отделился от слабых ядерных сил.
Но пока ученые не готовы заглянуть так далеко в космическую историю. Сперва необходимо убедиться, что в нашей Солнечной системе действительно есть черная дыра, а это значит организовать новые исследования, которые потребуют иного подхода, чем просто охота на предполагаемую планету.
Оптические телескопы не способны увидеть черную дыру. У рентгеновских обсерваторий такой шанс все-таки есть, потому что все, что падает в черную дыру, нагревается и дает всплеск излучения в рентгеновском диапазоне волн. Загвоздка в том, что эти вспышки будут быстротечными, поэтому ученым придется смотреть в правильном направлении и в правильное время, чтобы заметить одну из них. Есть еще один вариант, при котором рентгеновский сигнал будет стабильным, — это если темная материя действительно состоит из каких-то необычных частиц, которые аннигилируют друг с другом при столкновении. Темная материя будет скапливаться вокруг черной дыры. Возможно, в момент аннигиляции она будет испускать устойчивый пучок рентгеновского или гамма-излучения, который начнет перемещаться по небу по мере того, как черная дыра будет двигаться по своей орбите.
![]() |
На самом краю Солнечной системы может скрываться планета, похищенная нашей звездой 5 млрд лет назад |
Миссия выполнима
Пожалуй, наиболее эффективный способ обнаружить первичную черную дыру — это обратить внимание на то, что она производит в изобилии: гравитацию. Именно в этом направлении и работает Вячеслав Геннадьевич Турышев российский и американский ученый-астрофизик из Лаборатории реактивного движения НАСА в Калифорнии. Он предложил исследовать источник гравитации с помощью целой флотилии небольших космических аппаратов. Идея заключается в том, что изменение их ожидаемых траекторий позволит обнаружить любой массивный объект, скрывающийся за горизонтом - неважно, планету или черную дыру. Таким образом, удастся определить точное местоположение, на которое следует нацелить телескопы. Если мы увидим светлое пятнышко, это будет планета, если нет - черная дыра.
В своей недавней научной статье Турышев и его коллеги отметили, что за счет миниатюризации спутников и использования солнечных парусов такие миссии вполне реальны. Солнечные паруса не требуют топлива: они приводят космический аппарат в движение просто за счет импульса, создаваемого давлением солнечного света, падающего на парус. При первом приближении к Солнцу они получат мощнейший импульс, достаточный для того, чтобы примерно через год спокойно доплыть до орбиты Нептуна. "Это примерно в 10 раз быстрее, чем можно достичь с помощью химических двигателей", - говорит Турышев.
Однако пока о таком путешествии остается только мечтать. Некоторые астрономы вообще не уверены в существовании Девятой планеты. Ранее Кевин Напьер из Мичиганского университета и его коллеги опубликовали статью, в которой утверждают, что расположение малых карликовых планет, указывающее на существование девятой планеты, — это просто статистический артефакт, который рассеется с появлением все более качественных данных.
А пока следует вернуться к тому, с чего все началось: составить карту маленьких ледяных миров внешней части Солнечной системы, чтобы понять, есть ли там Девятая планета - или что-то еще. Вскоре эта задача станет менее сложной благодаря чилийской обсерватории Vera C. Rubin, которая должна начать работу в этом году. Ожидается, что она обнаружит десятки тысяч мини-миров в удаленных уголках нашей Солнечной системы, что значительно увеличит масштабы исследований. Их орбиты позволят ученым раз и навсегда определить, существует ли там объект с планетарной массой.
Ученые пытаются понять, что собой представляет таинственный источник гравитации, скрывающийся на окраинах нашей Солнечной системы. Впечатление художника от солнечного паруса. NASA
Они даже позволят астрономам точно предсказать его местоположение, и тогда телескоп сможет присмотреться к нему более внимательно. Если он обнаружит планету, это будет величайшим событием. А если не увидит ничего, но аномальное гравитационное притяжение сохранится, значит, пора запускать в космос солнечные паруса.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила