Темна матерія, таємнича субстанція, що має силу тяжіння, але не випромінює світла, може справді складатися з величезних концентрацій стародавніх чорних дір, які виникли на самому початку Всесвіту. Таким є результат нового дослідження. Цей висновок випливає з аналізу гравітаційних хвиль або бриж у просторі-часі, спричинених двома далекими зіткненнями між чорними дірами та нейтронними зорями.

Брижі — позначені GW190425 та GW190814 — в 2019 році виявили Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в штатах Вашингтон і Луїзіана (США) та Інтерферометр «Діва» (Virgo Interferometer) поблизу Пізи, Італія. Попередній аналіз дав змогу науковцям зробити припущення, що гравітаційні хвилі виникли внаслідок зіткнень між чорними дірами, маси яких в 1,7 і 2,6 рази перевищують масу Сонця. Це також могли бути злиття за участі або нейтронної зорі, або чорної діри значно більшої маси. Але в кожному зіткненні мала би брати участь чорна діра, які астрофізики відносять до чорних дір сонячної маси (маса таких об’єктів приблизно співмірна з масою Сонця).

«Чорні діри сонячної маси досить загадкові, бо їх не описує звичайна астрофізика, як, наприклад, вибухи зір чи наднові, внаслідок чого з масивних зір виникають чорні діри», — сказав головний автор дослідження Володимир Тахістов (Volodymyr Takhistov) з Інституту фізики і математики Всесвіту імені Кавлі Токійського університету.

Натомість у дослідженні, результати якого оприлюднив 16 лютого поточного року журнал Physical Review Letters, автори припускають: ці чорні діри сонячної маси можуть бути «первинними» чорними дірами, що виникли під час Великого Вибуху. Вони також могли утворитися пізніше, коли нейтронні зорі перетворилися в чорні діри — або після поглинання первинних чорних дір, або після поглинання темної матерії певних типів, які нині розглядають науковці. Про це сказав Тахістов.

Первинні чорні діри

Первинні чорні діри, якщо вони існують, утворилися у величезній кількості в першу секунду Великого Вибуху приблизно 13,77 млрд років тому. Їхні маси були різні. Найменші з них мали мікроскопічну масу, а маса найбільших в десятки тисяч разів була більшою, ніж маса Сонця.

Розрахунки показують, що найменші вже мали б випаруватися, випромінюючи квантові частинки у процесі, відомому як випромінювання Гокінга. Тому в наш час все ще існували б лише первинні чорні діри з масою більше 1011 кілограмів — це приблизно маса невеликого астероїда.

Якби вони існували, ці стародавні чорні діри могли б скласти величезні гало темної матерії довкола галактик, вважають деякі астрофізики.

Дослідники хотіли дізнатись, чи зможуть вони відрізнити первинні чорні діри від чорних дір, що утворилися з нейтронних зір, залишків наднових, які трапилися у минулому, коли зорі великої маси вибухнули, витративши весь свій водень в реакціях ядерного синтезу.

Астрофізики підрахували, що зорі з масою приблизно уп’ятеро більшою маси Сонця наприкінці існування стискаються, залишаючи за собою нейтронну зорю з надщільної речовини, приблизно з масою Сонця, упаковану в кулю розміром з місто.

У новому дослідженні науковці запропонували теорію згідно з якою сильна гравітація деяких нейтронних зір постійно б приводила до накопичення частинок темної матерії; врешті-решт їхня сила тяжіння могла б стати такою великою, що нейтронна зоря і темна матерія разом би стиснулися в чорну діру.

Новим, запропонованим у дослідженні, є те, що нейтронна зоря могла гравітаційно взаємодіяти і, зрештою, злитися з невеликою первинною чорною дірою, яка потім осідала в центрі мас нейтронної зорі, поглинаючи навколишню речовину, поки б не залишилася лише чорна діра.

Гравітаційні хвилі

Тахістов та його колеги вважають, що розподіл мас чорних дір, які проникли в нейтронні зорі й «спожили» їх, має відповідати розподілу мас цих нейтронних зір. Водночас розподіл мас нейтронних зір залежить від маси зір, що на кінцевому етапі еволюції перетворилися в такі об’єкти.

Беручи це до уваги, науковці розглянули дані 50-ти досі зареєстрованих гравітаційних хвиль, і виявили, що лише дві з них — GW190425 і GW190814 — спричинені об’єктами з масами, як у первинних чорних дір.

Дослідження не ставить остаточно крапку щодо первинних чорних дір: все-таки можливо, що в двох зіткненнях брали участь нейтронні зорі встановленої маси або чорні діри, утворені з нейтронних зір таких мас. Але розподіл маси нейтронних зір, що можуть теоретично існувати у Всесвіті, робить такі комбінації малоймовірним, вважають автори дослідження.

«Наша робота висуває сильний тест на розуміння їх походження та зв’язку з темною матерією», — сказав Тахістов. «Зокрема, цей тест вказує на те, що чорні діри масою приблизно 1,5 сонячної маси, навряд чи будуть “трансмутованим” чорними дірами, які виникли внаслідок руйнування нейтронних зір». Якщо це так, то маємо натяк на те, що первинні чорні діри можуть справді існувати і що вони можуть бути компонентом темної матерії.

Метод стане більш точним із збільшенням кількості детекторів гравітаційних хвиль, сказав Тахістов: «Тест має статистичний характер, тому збір більшої кількості даних дасть змогу краще зрозуміти ситуацію з первинними чорними дірами».

За інф. з сайту www.space.com

Від редактора. Радимо переглянути замітку «Первинні чорні діри та пошук темної матерії з мультивсесвіту», вміщену на цьому ж сайті.