Существование первичных чёрных дыр могло бы объяснить происхождение тёмной материи

Астрономы давно изучают природу черных дыр: выясняют, как они образуются, как функционируют, как влияют на окружающее пространство и какую роль играют в эволюции Вселенной. Эти объекты являются одними из самых интересных небесных явлений, но очень многое в них остается загадкой. Например, одна из спекулятивных идей заключается в том, что наша Вселенная могла быть образована в черной дыре другой Вселенной, и теперь астрономы обнаружили новые доказательства того, что черные дыры существовали с начала времен.

buradaki/iStock

 

В новом исследовании опубликованное в издании Astrophysical Journal, говорится о том, что крошечные черные дыры могли существовать через несколько мгновений после того, как в результате большого взрыва возникла наша Вселенная. Эти первичные черные дыры (ПЧД), вероятно, сыграли огромную роль в ускоренном формировании звезд и галактик, говорится в исследовании.

Еще в 70-х годах Стивен Хокинг и Бернард Карр предположили, что крошечные черные дыры могли появиться одновременно с рождением Вселенной. Хокинг и Карр рассуждали, что в первые доли секунды существования Вселенной небольшие колебания плотности могли придать определенным областям дополнительную массу. Затем эти области могли коллапсировать в черные дыры.

Если такие дыры существуют, то они, вероятно, были созданы в большом количестве в первую секунду Большого взрыва, около 13,77 миллиардов лет назад. Хотя самые маленькие из них уже исчезли бы в процессе излучения Хокинга, расчеты показыают, что черные дыры с массой, превышающей массу небольшого астероида, возможно, все еще продолжают сегодня таиться во Вселенной.

Темная материя. Что это?

Возможно, самым важным или, по крайней мере, самым интересным следствием нынешнего открытия является то, что эти черные дыры могут быть причиной существования темной материи, которая, как считается, составляет около 85% всей материи во Вселенной, но мы не знаем, откуда она взялась и как она вообще устроена. Эти крошечные черные дыры сами по себе могут быть той самой темной материей. Мы не можем увидеть или изучить эти первичные черные дыры, но их общая масса может означать, что они являются причиной одной из самых больших загадок в астрофизике - происхождения темной материи.

"Наше исследование показывает, что мы можем решать загадки современной космологии без открытия новых частиц или новых законов физики, начиная с природы самой темной материи и заканчивая происхождением сверхмассивных черных дыр", - отмечает Нико Каппеллути, доцент Университета Майами и соавтор нового исследования.

В дополнение к разъяснению того, как черные дыры могли бы рассказать о темной материи, данное открытие выдвигает следующее предположение: "Если большинство черных дыр образовалось сразу после Большого взрыва, они могли начать сливаться в ранней Вселенной, образуя со временем все более массивные черные дыры".

" Если следовать предложенной модели, Вселенная была бы всюду заполнена черными дырами. Звёзды стали бы зарождаться около этих сгустков "тёмной материи", формируя звёздные системы и галактики в течение миллиардов лет. Если первые звезды действительно образовались вокруг первичных черных дыр, то они появились бы во Вселенной намного раньше, чем предполагается по "классической" модели. Первые черные дыры могли быть тем зерном, из которого формируются остальные черные дыры, включая и ту, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь", - сообщает European Space Agency.

Хронология событий, произошедших после большого взрыва. Источник: NASA / научная группа WMAP

Что мы знаем о первичных чёрных дырах

Прежде чем мы углубимся в тему первичных черных дыр, мы должны понять, как устроены обычные черные дыры. Как уже упоминалось, черные дыры звездной массы образуются, когда массивная звезда, намного больше и массивнее нашего Солнца, завершает свой жизненный цикл. Весь оставшийся газ извергается в космос, образуя остаток сверхновой, но с ядром происходит нечто интересное. Если предположить, что звезда была достаточно массивной, чтобы преодолеть превращение в белый карлик, нейтронную звезду или пульсар, то она начинает полностью разрушаться, образуя в итоге нечто, называемое сингулярностью.

Сингулярность - это одна из самых значимых особенностей черной дыры. Существует также горизонт событий, который является точкой, в которой ничто - даже свет - не может вырваться из гравитационного притяжения черной дыры.

Это можно понять, если вспомнить о скорости убегания - насколько быстро должно двигаться тело, чтобы избежать гравитации другого объекта. На скорость убегания влияют две вещи - масса объекта и расстояние до центра этого объекта. Чем плотнее и меньше объект, тем большая скорость необходима для достижения скорости убегания. Но поскольку скорость света является пределом космической скорости, в этот момент вырваться будет невозможно. Любая материя, попавшая в ловушку гравитации черной дыры, но движущаяся со скоростью ниже скорости убегания, становится обедом для черной дыры.

Сингулярность гораздо сложнее. Считается, что вся материя "уничтожается" или "поглощается", как только она попадает в сингулярность, что увеличивает размер/массу черной дыры. В настоящее время основная идея сингулярностей черных дыр заключается в том, что мы не можем получить никакой информации о материи, попавшей в черную дыру, поскольку считается, что сингулярность является бесконечно плотной точкой или очень близка к ней. Однако другая теория Стивена Хокинга предполагает, что часть этой информации утекает через нечто, известное как излучение Хокинга, и эта потеря информации в конечном итоге приводит к тому, что маленькие черные дыры "испаряются".

Сверхмассивные дыры могут образоваться при столкновении черных дыр со звездной массой с другими промежуточными черными дырами. В этом процессе они могли бы создавать так называемые гравитационные волны, когда их отдельные гравитации, в конечном итоге, начинают объединяться. Однако, согласно исследованию, существует одна проблема.

"Чёрные дыры разных размеров пока остаются загадкой. Нам неизвестно, как за такой короткий промежуток времени существования Вселенной сверхмассивные черные дыры успели вырасти до таких огромных размеров", - отмечает исследователь Гюнтер Хаснгер.

Анатомия сверхмассивной черной дыры. Источник: European Space Agency

Так как же возникают первичные чёрные дыры и опасны ли они?

Образование первичных черных дыр немного сложнее, чем образование звездных, промежуточных или сверхмассивных черных дыр. Фактически, они опровергают наши представления о том, как образуются черные дыры, так как они слишком малы - считается, что они всего лишь в 1000 раз больше атома, - чтобы образоваться из умирающих звезд. Однако возможно, что они образовались через секунду после Большого Взрыва и увеличивались в размерах по мере поглощения материи, объясняя тем самым загадку возникновения массивных черных дыр до того, как первые звезды стали достаточно большими, чтобы разрушиться.

Рассуждая на тему того, насколько мала первобытная черная дыра, можно ли ее обнаружить, может ли она объяснить существование темной материи, и как она повлияет на человеческое тело, если пройдет через нас, Scientific American поясняет,

" Первичные черные дыры не отражают солнечный свет и их нельзя обнаружить до столкновения. Они действительно слабо светятся в излучении Хокинга, но их светимость ниже, чем у лампочки мощностью 0,1 ватт при массе выше миллионной доли массы Луны". Является ли это причиной для беспокойства?".

"В частности, если первичные черные дыры в допустимом диапазоне масс составляют темную материю, можно задаться вопросом, представляют ли они угрозу для нашей жизни. Встреча ПЧД с человеческим телом означала бы столкновение невидимого остатка первой фемтосекунды после Большого Взрыва с разумным телом - вершиной сложной биохимии, созданной 13,8 миллиарда лет спустя. Хотя это и представляет собой необычную встречу между ранней и поздней Вселенной, мы бы себе такого не пожелали".

"Притягивающая сила гравитации, которую создаст ПЧД вышеупомянутой массы, во время своего стремительного движения сожмет все наше тело на несколько дюймов. Этот импульс длился бы 10 микросекунд при обычной скорости ПЧД  100 миль/с в гало темной материи галактики Млечный Путь.

Возникающая боль будет ощущаться так, как будто крошечный пылесос с огромной силой всасывания быстро проходит через наше тело и сжимает его мышцы, кости, кровеносные сосуды и внутренние органы. Резкое деформирование тела привело бы к серьезным повреждениям и мгновенной смерти".

Несмотря на то, что это звучит, не слишком оптимистично, по оценкам специалистов, маловероятно, что кто-то на Земле испытает смерть от первичной черной дыры, поэтому спите, спокойно зная что, по крайней мере, один астрофизический объект практически не имеет шансов убить вас.

В ближайшие дни Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США планирует запустить один из самых грандиозных своих проектов по изучению Вселенной - космический телескоп имени Джеймса Уэбба.  Телескоп Уэбба предназначен для проведения сверхточных измерений в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре волн излучаемых самыми далёкими объектами во Вселенной и вероятно поможет раскрыть тайну образования чёрных дыр.