Возможно, ключом к пониманию загадочной темной материи являются не мифические частицы, а реликтовые черные дыры – гипотетические объекты, возникшие в самые первые моменты существования Вселенной. Эти черные дыры, в отличие от своих «звездных» собратьев, образовались не в результате гравитационного коллапса массивных звезд, а из-за экстремальных флуктуаций плотности энергии вскоре после Большого взрыва, во время так называемой инфляции, примерно через 10<sup>-36</sup> секунд после начала существования Вселенной.
Идея о существовании реликтовых черных дыр (РЧД) впервые была озвучена в 1960-х годах, и одним из пионеров в этой области был Стивен Хокинг, чьи работы, в том числе и теория излучения Хокинга, возникли из изучения РЧД. Они представляют особый интерес для космологов, поскольку могут обладать широким диапазоном масс – от массы астероида до масс, в миллионы раз превышающих массу Солнца. Если РЧД действительно существуют, они могли бы быть важным компонентом темной материи, а возможно, и составлять ее целиком. Темная материя, как известно, в шесть раз превосходит по количеству обычное вещество и является важной составляющей структуры Вселенной, но остается невидимой, проявляя себя лишь через гравитационные эффекты. РЧД идеально соответствуют этому описанию: они холодные, небарионные (не состоят из протонов и нейтронов) и взаимодействуют только через гравитацию. РЧД сформировались раньше протонов и нейтронов, а также не излучают свет.
Волнение в научном сообществе по поводу РЧД усилилось после 2016 года, когда Обсерватория гравитационных волн LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны от слияния черных дыр. Неожиданно большие массы некоторых из этих слившихся объектов породили гипотезы о их реликтовом происхождении. Астрофизики, такие как Бернард Карр, профессор-эмерит в Queen Mary University of London, и Анн Грин из Университета Ноттингема, активно участвуют в исследованиях. Карр считает, что ответы о существовании РЧД могут быть найдены в ближайшее десятилетие. Примечательно, что сам Бернард Карр был соавтором ранних работ Хокинга, посвящённых реликтовым черным дырам.
Помимо гравитационных волн, существуют и другие способы обнаружения РЧД. Ученые рассматривают возможность обнаружения испускаемого ими излучения Хокинга, а также их гравитационное линзирование и столкновения. Даже присутствие небольших РЧД внутри звезд может создавать уникальные «хокинговые звезды», отличающиеся от обычных красных гигантов. Например, в 2023 году группа исследователей под руководством Эрла Беллингера из Йельского университета изучала, как эти «хокинговые звезды» могут проявлять себя. Астрономы также ищут признаки воздействия РЧД, проходящих через Солнечную систему, в виде орбитальных возмущений, вызываемых этими объектами, на движение спутников и планет. Следствием испарения совсем крошечных реликтовых черных дыр, возникших спустя ~ 10<sup>-20</sup> секунд после Большого взрыва, может быть появление в ранней Вселенной характерного цветового заряда, что отразилось бы на соотношении легких элементов.
В 2021 году Карр, Себастьен Клес (Université Libre de Bruxelles), Флориан Кюнель (Институт физики Макса Планка) и Хуан Гарсия-Беллидо (Автономный университет Мадрида) опубликовали статью в Physics of the Dark Universe, посвящённую РЧД. В 2024 году Карр и Грин опубликовали исторический обзор, а также были предложены методы поиска РЧД в Солнечной системе. Исследования продолжаются, и к ним присоединяются новые специалисты, такие как Уилл Кинни (Университет Буффало), Симеон Бёрд (Университет Калифорнии, Риверсайд), Эльба Алонсо-Монсальве (MIT), Марек Абрамович (Университет Гётеборга) и другие.
Массы звездных черных дыр обычно находятся в диапазоне от 5 до 10, иногда до 20 и более масс Солнца, в то время как сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут достигать миллиардов масс Солнца. LIGO зафиксировал слияния черных дыр с массами около 30 солнечных масс. РЧД, в свою очередь, могут иметь массу от нескольких сотен килограммов до миллионов масс Солнца. При этом, черные дыры с массами от четырех масс Земли до 860 солнечных масс составляют не более 10% всей темной материи. Существует еще более амбициозная версия, что РЧД могут быть не только темной материей, но и являться «семенами», из которых образовались сверхмассивные черные дыры. Подтверждение существования черных дыр с массой меньше солнечной, например, обнаружение субсолнечной черной дыры, стало бы серьезным доказательством их реликтового происхождения.
Одним из вызовов для теории РЧД является отсутствие конкретных механизмов их образования в рамках современных моделей инфляции. Тем не менее, другие возможности образования РЧД – например, из петлей космических струн или сталкивающихся пузырей – также рассматриваются. Поиски РЧД стимулируют развитие теорий гравитации и изучение ранней Вселенной. Одним из результатов таких исследований стала теория излучения Хокинга, возникшая в ходе изучения РЧД.
В будущем, как надеются ученые, обсерватории гравитационных волн, такие как строящийся космический телескоп LISA (запуск в 2030-х годах), а также наземные детекторы, как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, позволят более детально изучить РЧД. Развитие инструментов и методов, таких как Лаборатория Большого адронного коллайдера и Космический телескоп Джеймса Уэбба, способствует накоплению данных для более тщательных исследований. Даже если РЧД не подтвердятся как основная составляющая темной материи, сами исследования в этой области внесут вклад в понимание природы черных дыр, ранней Вселенной и теории гравитации.
Несмотря на то что в настоящее время нет явных доказательств существования реликтовых черных дыр, их поиск является важным направлением космологических исследований. Ученые продолжают активно изучать эту гипотезу, стремясь разгадать одну из самых фундаментальных тайн Вселенной. Углубленное понимание гравитационных взаимодействий, изучение процессов, происходящих во время инфляции, и постоянное совершенствование инструментов наблюдения являются ключом к дальнейшему прогрессу в этой области.
Изображение носит иллюстративный характер
Идея о существовании реликтовых черных дыр (РЧД) впервые была озвучена в 1960-х годах, и одним из пионеров в этой области был Стивен Хокинг, чьи работы, в том числе и теория излучения Хокинга, возникли из изучения РЧД. Они представляют особый интерес для космологов, поскольку могут обладать широким диапазоном масс – от массы астероида до масс, в миллионы раз превышающих массу Солнца. Если РЧД действительно существуют, они могли бы быть важным компонентом темной материи, а возможно, и составлять ее целиком. Темная материя, как известно, в шесть раз превосходит по количеству обычное вещество и является важной составляющей структуры Вселенной, но остается невидимой, проявляя себя лишь через гравитационные эффекты. РЧД идеально соответствуют этому описанию: они холодные, небарионные (не состоят из протонов и нейтронов) и взаимодействуют только через гравитацию. РЧД сформировались раньше протонов и нейтронов, а также не излучают свет.
Волнение в научном сообществе по поводу РЧД усилилось после 2016 года, когда Обсерватория гравитационных волн LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны от слияния черных дыр. Неожиданно большие массы некоторых из этих слившихся объектов породили гипотезы о их реликтовом происхождении. Астрофизики, такие как Бернард Карр, профессор-эмерит в Queen Mary University of London, и Анн Грин из Университета Ноттингема, активно участвуют в исследованиях. Карр считает, что ответы о существовании РЧД могут быть найдены в ближайшее десятилетие. Примечательно, что сам Бернард Карр был соавтором ранних работ Хокинга, посвящённых реликтовым черным дырам.
Помимо гравитационных волн, существуют и другие способы обнаружения РЧД. Ученые рассматривают возможность обнаружения испускаемого ими излучения Хокинга, а также их гравитационное линзирование и столкновения. Даже присутствие небольших РЧД внутри звезд может создавать уникальные «хокинговые звезды», отличающиеся от обычных красных гигантов. Например, в 2023 году группа исследователей под руководством Эрла Беллингера из Йельского университета изучала, как эти «хокинговые звезды» могут проявлять себя. Астрономы также ищут признаки воздействия РЧД, проходящих через Солнечную систему, в виде орбитальных возмущений, вызываемых этими объектами, на движение спутников и планет. Следствием испарения совсем крошечных реликтовых черных дыр, возникших спустя ~ 10<sup>-20</sup> секунд после Большого взрыва, может быть появление в ранней Вселенной характерного цветового заряда, что отразилось бы на соотношении легких элементов.
В 2021 году Карр, Себастьен Клес (Université Libre de Bruxelles), Флориан Кюнель (Институт физики Макса Планка) и Хуан Гарсия-Беллидо (Автономный университет Мадрида) опубликовали статью в Physics of the Dark Universe, посвящённую РЧД. В 2024 году Карр и Грин опубликовали исторический обзор, а также были предложены методы поиска РЧД в Солнечной системе. Исследования продолжаются, и к ним присоединяются новые специалисты, такие как Уилл Кинни (Университет Буффало), Симеон Бёрд (Университет Калифорнии, Риверсайд), Эльба Алонсо-Монсальве (MIT), Марек Абрамович (Университет Гётеборга) и другие.
Массы звездных черных дыр обычно находятся в диапазоне от 5 до 10, иногда до 20 и более масс Солнца, в то время как сверхмассивные черные дыры в центрах галактик могут достигать миллиардов масс Солнца. LIGO зафиксировал слияния черных дыр с массами около 30 солнечных масс. РЧД, в свою очередь, могут иметь массу от нескольких сотен килограммов до миллионов масс Солнца. При этом, черные дыры с массами от четырех масс Земли до 860 солнечных масс составляют не более 10% всей темной материи. Существует еще более амбициозная версия, что РЧД могут быть не только темной материей, но и являться «семенами», из которых образовались сверхмассивные черные дыры. Подтверждение существования черных дыр с массой меньше солнечной, например, обнаружение субсолнечной черной дыры, стало бы серьезным доказательством их реликтового происхождения.
Одним из вызовов для теории РЧД является отсутствие конкретных механизмов их образования в рамках современных моделей инфляции. Тем не менее, другие возможности образования РЧД – например, из петлей космических струн или сталкивающихся пузырей – также рассматриваются. Поиски РЧД стимулируют развитие теорий гравитации и изучение ранней Вселенной. Одним из результатов таких исследований стала теория излучения Хокинга, возникшая в ходе изучения РЧД.
В будущем, как надеются ученые, обсерватории гравитационных волн, такие как строящийся космический телескоп LISA (запуск в 2030-х годах), а также наземные детекторы, как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, позволят более детально изучить РЧД. Развитие инструментов и методов, таких как Лаборатория Большого адронного коллайдера и Космический телескоп Джеймса Уэбба, способствует накоплению данных для более тщательных исследований. Даже если РЧД не подтвердятся как основная составляющая темной материи, сами исследования в этой области внесут вклад в понимание природы черных дыр, ранней Вселенной и теории гравитации.
Несмотря на то что в настоящее время нет явных доказательств существования реликтовых черных дыр, их поиск является важным направлением космологических исследований. Ученые продолжают активно изучать эту гипотезу, стремясь разгадать одну из самых фундаментальных тайн Вселенной. Углубленное понимание гравитационных взаимодействий, изучение процессов, происходящих во время инфляции, и постоянное совершенствование инструментов наблюдения являются ключом к дальнейшему прогрессу в этой области.
