Странный сигнал LIGO может раскрыть недостающее звено темной материи

Художественное изображение слияния двойной черной дыры. Credit: Carl Knox/Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

Первичные черные дыры остаются одной из самых интригующих идей в астрономии на протяжении десятилетий. Теперь исследователи из Университета Майами считают, что недавнее обнаружение гравитационных волн может приблизить ученых к подтверждению реальности этих древних объектов, что также может помочь раскрыть тайну темной материи.

Считается, что первичные черные дыры образовались в первую долю секунды после Большого взрыва, задолго до появления первых звезд или галактик. В отличие от черных дыр, возникающих при коллапсе звезд, эти гипотетические объекты могут иметь размеры от астероида до гораздо более крупных тел.

Хотя ни одна первичная черная дыра еще не была подтверждена, ученые полагают, что они могут ответить на несколько важных вопросов о Вселенной. Один из главных — природа темной материи, невидимого вещества, составляющего около 85% всей материи и обеспечивающего гравитационное притяжение, удерживающее галактики вместе.

«Мы считаем, что наше исследование поможет подтвердить, что они действительно существуют», — сказал Нико Каппеллути, доцент кафедры физики Университета Майами, ссылаясь на исследование, проведенное им с аспирантом Альберто Магараджиа.

Необычный сигнал LIGO

Их работа основана на возможном открытии, о котором сообщила лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), обнаружившая в конце прошлого года необычный сигнал гравитационной волны. Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, порождаемая одними из самых violent событий во Вселенной, включая столкновения черных дыр.

Большинство известных черных дыр образуются после взрыва массивных звезд как сверхновых. Их массы обычно варьируются от нескольких масс Солнца до миллиардов солнечных масс.

«Наиболее распространенные черные дыры образуются в результате сверхновой, смерти массивной звезды. Таким образом, их массы могут варьироваться от нескольких масс Солнца до миллиардов солнечных масс», — объяснил Каппеллути.

Однако в ноябре LIGO выпустила автоматическое предупреждение о слиянии, в котором по крайней мере один объект, по-видимому, имел массу менее одной солнечной. Такую маленькую черную дыру было бы трудно объяснить с помощью обычной звездной эволюции, и вместо этого она могла бы указывать на первичную черную дыру.

Не все убеждены. Некоторые астрофизики предположили, что сигнал может быть просто шумом в чрезвычайно чувствительных детекторах LIGO, а не свидетельством выдающегося открытия.

Может ли это объяснить темную материю?

Каппеллути и Магараджиа утверждают, что обнаруженный объект лучше всего объясняется как первичная черная дыра, образовавшаяся в плотных условиях ранней Вселенной, задолго до появления звезд.

Чтобы проверить эту идею, исследователи оценили, сколько первичных черных дыр может существовать в космосе и как часто LIGO должна их обнаруживать.

«Мы попытались оценить, сколько первичных черных дыр может существовать во Вселенной и сколько из них LIGO сможет обнаружить», — сказал Магараджиа. «И наши результаты обнадеживают. Мы предполагаем, что субсолнечные черные дыры, подобные той, что, возможно, наблюдала LIGO, действительно должны быть редкими, что соответствует тому, как редко такие события наблюдались до сих пор».

Их результаты, опубликованные в The Astrophysical Journal, показывают, что загадочный сигнал LIGO не имеет обычного астрофизического объяснения и наиболее согласуется с первичной черной дырой.

Исследование «показывает, что наиболее правдоподобным объяснением сигнала LIGO, у которого нет обычного астрофизического объяснения, является обнаружение первичной черной дыры», — сказал Каппеллути. «И наше исследование показывает, что эти первичные черные дыры могут составлять значительную часть, если не всю, темной материи».

Тем не менее, оба исследователя подчеркивают, что одного обнаружения недостаточно для решения вопроса.

Пока ученым остается ждать, зафиксируют ли LIGO и ее международные партнеры дополнительные события, соответствующие той же закономерности.

«LIGO зафиксировала то, что является очень убедительным доказательством того, что такие типы черных дыр существуют. Но нам нужно будет обнаружить еще один такой сигнал или даже несколько других, чтобы получить неопровержимое подтверждение того, что они реальны», — сказал Каппеллути. «Но ясно одно: их нельзя исключать как реальные».

Теория, создававшаяся десятилетиями

Концепция первичных черных дыр восходит к эпохе холодной войны, когда советские ученые Яков Зельдович и Игорь Новиков впервые предложили их существование. В начале 1970-х годов Стивен Хокинг развил эту идею, утверждая, что эти объекты могут быть широко распространены во Вселенной, излучать энергию и, возможно, объяснять темную материю.

Позже LIGO предоставила первую возможность найти доказательства, подтверждающие эти теории. 14 сентября 2015 года обсерватория совершила историческое открытие, впервые зафиксировав гравитационные волны, подтвердив тем самым одно из главных предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна и открыв совершенно новый способ изучения Вселенной.

Будущее гравитационно-волновой астрономии

LIGO состоит из двух обсерваторий, расположенных в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Вместе с детектором Virgo в Италии и подземной обсерваторией KAGRA в Японии они образуют международную коллаборацию LVK, которая ищет черные дыры — области космоса, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть их.

Планируемые модернизации сделают LIGO еще более чувствительной, увеличив ее шансы найти дополнительные кандидаты в первичные черные дыры. Однако два Г-образных детектора обсерватории с вакуумными плечами длиной 4 километра каждый были спроектированы для обнаружения высокочастотных гравитационных волн, порождаемых относительно недавними космическими столкновениями, а не волн, генерируемых непосредственно во время Большого взрыва.

Будущие обсерватории позволят заглянуть гораздо дальше в прошлое. Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2035 год, как ожидается, сможет обнаруживать гравитационные волны из самых ранних эпох Вселенной после Большого взрыва.

Другой планируемый объект, Cosmic Explorer, в настоящее время находится на стадии проектирования в США. Исследователи ожидают, что он будет примерно в 10 раз чувствительнее LIGO, что позволит ему обнаруживать слияния черных дыр и нейтронных звезд, уходящие в эпоху формирования первых звезд.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Майами. Оригинал написан Робертом С. Джонсом-младшим.

Alberto Magaraggia, Nico Cappelluti. Implications for Primordial Black Hole Dark Matter from a Single Subsolar Mass Gravitational-wave Detection in LVK O1–O4. The Astrophysical Journal, 2026; 1000 (2): 262 DOI: 10.3847/1538-4357/ae48f9