714
Уявіть собі чорну діру, яка важить менше за Сонце. За підручниками астрономії таке практично не має трапитися — занадто мала маса, щоб з’явитися після смерті зорі. Та саме такий дивний «удар по тканині простору-часу» помітив LIGO, і, як пояснюють вчені з Університету Маямі, цей сигнал може бути загубленою ланкою, що поєднує нас із загадковою темною матерією. Про це йдеться в матеріалах Університету Маямі.
Що відомо коротко
- Гравітаційний детектор LIGO зафіксував злиття, де принаймні один об’єкт мав масу <strongменше однієї сонячної, що не пояснюється звичайною еволюцією зір.
- Двоє дослідників, Альберто Магарадждя (Alberto Magaraggia) та Ніко Каппеллуті (Nico Cappelluti), показали, що такий об’єкт найкраще пояснюється як первинна чорна діра.
- Первинні чорні діри, за їхніми розрахунками, могли утворитися у перші частки секунди після Великого вибуху й бути розкиданими по всьому Всесвіту.
- Результати, опубліковані в The Astrophysical Journal, вказують, що такі чорні діри можуть складати значну частину, а можливо й усю темну матерію.
- Вчені наголошують: одного сигналу недостатньо, потрібні нові подібні події, які LIGO та інші обсерваторії можуть зловити після модернізації.
Чому чорна діра легша за Сонце виглядає «неможливою»
Звичайні чорні діри — це «трупи» масивних зір. Коли дуже велика зоря вичерпує паливо, вона вибухає як наднова, а її ядро стискається до чорної діри. Така фабрика працює тільки для зір, які у багато разів важчі за Сонце, тож і чорні діри зазвичай мають маси від кількох сонячних до мільярдів.
Це як із уламками будинків: якщо будівля була хмарочосом, і руїни будуть величезні; з маленької хатини не вийде уламок розміром із стадіон. Тому поява чорної діри легшої за Сонце суперечить «будівельним нормам» зоряної еволюції. Вона натякає, що цей об’єкт народився не у надновій, а якимось іншим, більш екзотичним способом.
Первинні чорні діри: релікти перших миттєвостей Всесвіту
Ідея первинних чорних дір з’явилася ще в часи Холодної війни. Радянські фізики Яків Зельдович та Ігор Новіков припустили, що у надщільному й хаотичному молодому Всесвіті, одразу після Великого вибуху, деякі ділянки могли стиснутися настільки сильно, що відразу перетворилися на чорні діри.
У 1970-х Стівен Гокінг продовжив цю думку: такі об’єкти могли бути дуже поширеними, мати різну масу — від «камінчиків» до гігантів — і навіть випромінювати специфічне квантове випромінювання. Якщо їх справді багато, вони могли б виступати ідеальними кандидатами на роль темної матерії — невидимої складової, яка становить близько 85 % всієї матерії у Всесвіті та тримає галактики «зібраними» своєю гравітацією.
Темну матерію зазвичай порівнюють із невидимою павутиною, на якій тримаються зорі й галактики. Вона не світиться, не випромінює й не відбиває світло, але її гравітація відчутна всюди. Первинні чорні діри — це ідеальні «важкі, але невидимі» вузлики такої павутини.
Що саме побачив LIGO і як це перевірили
Наприкінці минулого року LIGO — гігантський лазерний «вухо» на гравітаційні хвилі — зафіксував дивний сигнал. Це була характерна «хвиля» від злиття двох компактних об’єктів, але розрахунок мас показав, що принаймні один із них важив менше однієї маси Сонця.
Для багатьох астрономів це стало червоним прапорцем. Одні вирішили, що це може бути просто шум у надчутливих детекторах LIGO, інші припустили, що ми стикаємося з чимось зовсім новим. Ніко Каппеллуті та Альберто Магарадждя пішли другим шляхом.
Вони змоделювали, скільки первинних чорних дір могло б існувати у Всесвіті, якщо припустити, що такі об’єкти справді становлять значну частину темної матерії. Далі вони оцінили, як часто LIGO мав би «чути» їхні злиття.
За словами Магарадждї, результати виявилися обнадійливими: субсонячні (менше однієї маси Сонця) чорні діри мають бути рідкісними, і це добре узгоджується з тим, що подібні події у даних LIGO трапляються дуже нечасто. Їхній аналіз у The Astrophysical Journal показує: незвичний сигнал не має переконливого традиційного астрофізичного пояснення й найкраще описується саме як злиття первинної чорної діри.
Більше того, дослідники стверджують, що такі об’єкти, якщо вони реальні, можуть пояснити значну частку або навіть усю темну матерію. Проте вони підкреслюють: один сигнал — це не вирок підручникам, а лише дуже сильна підозра. Потрібно ще кілька таких «ударів по простору-часу», щоб мати беззаперечний доказ.
Що буде далі з полюванням на гравітаційні хвилі
LIGO — це дві обсерваторії в США, у Ганфорді (штат Вашингтон) і Лівінгстоні (Луїзіана). Кожна — це гігантська L-подібна конструкція з вакуумними рукавами довжиною близько 4 кілометрів, у яких лазерні промені фіксують найменші «розтягування» простору.
Разом із детекторами Virgo в Італії та KAGRA в Японії вони утворюють міжнародну колаборацію LVK, яка «слухає» Всесвіт у пошуках чорних дір і нейтронних зір. Сучасний LIGO налаштований головно на високочастотні хвилі від порівняно недавніх космічних катастроф — зливань чорних дір і нейтронних зір у космічних масштабах часу.
Плановані модернізації зроблять LIGO чутливішим, тож кількість зафіксованих подій зростатиме, а разом з нею — і шанси зловити ще кілька «дивних» субсонячних чорних дір.
У більш віддаленій перспективі з’являться ще амбітніші інструменти. Космічна антенна LISA Європейського космічного агентства, запуск якої планується на 2035 рік, має вловлювати гравітаційні хвилі з найдавніших епох після Великого вибуху. У США проєктують обсерваторію Cosmic Explorer, яка, за очікуваннями, буде приблизно вдесятеро чутливішою за LIGO і зможе бачити злиття чорних дір та нейтронних зір аж до «світанку» перших зір.
FAQ
Це вже доказ існування первинних чорних дір чи лише натяк?
На цьому етапі йдеться про дуже сильний натяк, а не остаточний доказ. Дослідники самі наголошують, що одного підозрілого сигналу замало: потрібно знайти ще кілька подібних подій, аби виключити випадковий шум і збіг.
Як це пов’язано з темною матерією?
Якщо первинні чорні діри справді існують у великих кількостях, вони могли б пояснити невидиму масу, яку астрономи «бачать» лише через її гравітаційний вплив. Моделі Магарадждї та Каппеллуті показують, що такі чорні діри здатні становити значну частину, а можливо й усю темну матерію.
Чому вчені не помічали подібних сигналів раніше?
Гравітаційні хвилі взагалі вперше зафіксували лише у 2015 році — це відносно новий спосіб спостереження за Всесвітом. Крім того, субсонячні чорні діри, за розрахунками, повинні бути рідкісними, тому їхні злиття трапляються нечасто й легко губляться на межі чутливості детекторів.
Чи може виявитися, що дивний сигнал LIGO був просто шумом?
Так, така можливість існує, і частина астрофізиків саме так і вважає. Саме тому команда дослідників говорить про «сильні докази», але не про остаточний вердикт. Повторні подібні події або їх відсутність у даних майбутніх спостережень покажуть, що з цього сигналу є справжньою фізикою, а що — артефакт вимірювань.
Якщо «неможлива» чорна діра, легша за Сонце, виявиться реальною, це означатиме, що десь у темряві космосу повсюди ховаються давні релікти Великого вибуху, які ми досі сприймали просто як «примару» у рівняннях. У такому разі темна матерія перестане бути абстрактною загадкою й перетвориться на конкретну популяцію об’єктів, які можна зловити, зважити й вивчити — слухаючи, як вони колись давно сколихнули сам простір-час.
Дивний сигнал LIGO натякнув що темна матерія може бути чорними дірами з’явилася спочатку на Цікавості.
