Екзотичні чорні діри: вчені пояснили походження темної матерії

Близько 50 років наукова спільнота бореться з суттєвою проблемою: у Всесвіті недостатньо видимої матерії.

Вся матерія, яку ми бачимо — зірки, планети, космічний пил і все, що знаходиться між ними — не може пояснити, чому Всесвіт поводиться так, як він поводиться, і її має бути в п'ять разів більше, щоб спостереження дослідників мали сенс, згідно з даними NASA. Вчені називають її темною матерією, оскільки вона не взаємодіє зі світлом і невидима.

Про це пише CNN.

У 1970-х роках американські астрономи Віра Рубін і В. Кент Форд підтвердили існування темної матерії, спостерігаючи за зірками, що обертаються на краю спіральних галактик. Вони помітили, що ці зірки рухаються надто швидко, щоб утримуватися разом видимою матерією галактики та її гравітацією — натомість вони мали б розлітатися врізнобіч. Єдиним поясненням була велика кількість невидимої матерії, що зв'язувала галактику разом.

“Те, що ви бачите у спіральній галактиці, — сказала тоді Рубін, — це не те, що ви отримуєте”. Її робота ґрунтувалася на гіпотезі, сформульованій у 1930-х роках швейцарським астрономом Фріцом Цвіккі, і дала поштовх до пошуку невловимої речовини.

Відтоді вчені намагалися спостерігати темну матерію безпосередньо і навіть побудували великі прилади для її виявлення, але поки що безуспішно.

На початку пошуків відомий британський фізик Стівен Гокінг припустив, що темна матерія може ховатися в чорних дірах — головному предметі його роботи — що утворилися під час Великого вибуху.

Нове дослідження, проведене вченими з Массачусетського технологічного інституту, повернуло теорію в центр уваги, показавши, з чого були зроблені ці первісні чорні діри, і, можливо, відкривши абсолютно новий тип екзотичних чорних дір у цьому процесі.

“Це був справді сюрприз”, — сказав Девід Кайзер, один з авторів дослідження.

“Ми використовували знамениті розрахунки Стівена Гокінга про чорні діри, особливо його важливий результат про випромінювання, яке випускають чорні діри, — сказав Кайзер. — Ці екзотичні чорні діри з'являються в результаті спроб вирішити проблему темної матерії — вони є побічним продуктом пояснення темної матерії”.

Перша квінтильйонна частка секунди

Вчені висунули багато припущень щодо того, чим може бути темна матерія, починаючи від невідомих частинок і закінчуючи додатковими вимірами. Але теорія чорних дір Гокінга стала популярною лише нещодавно.

“Люди не сприймали її серйозно 10 років тому, — каже співавтор дослідження Ельба Алонсо-Монсальве, аспірантка Массачусетського технологічного інституту. — А все тому, що колись чорні діри здавалися справді невловимими — на початку 20-го століття люди думали, що це просто математичний цікавий факт, нічого фізичного в них немає”.

Тепер ми знаємо, що майже кожна галактика має чорну діру в своєму центрі, а відкриття дослідниками гравітаційних хвиль Ейнштейна, створених зіткненням чорних дір у 2015 році — знакова знахідка — дало зрозуміти, що вони є скрізь.

“Насправді, Всесвіт кишить чорними дірами, — каже Алонсо-Монсальве. — Але частинки темної матерії так і не було знайдено, хоча люди шукали в усіх місцях, де очікували її знайти. Це не означає, що темна матерія не є часткою, або що це точно чорні діри. Це може бути комбінація того й іншого. Але тепер до чорних дір як кандидатів у темну матерію ставляться набагато серйозніше”.

Інші нещодавні дослідження підтвердили справедливість гіпотези Гокінга, але робота Алонсо-Монсальве і Кайзера, професора фізики і професора історії науки Гермесгаузена в Массачусетському технологічному інституті, йде на крок далі і розглядає, що саме сталося, коли первинні чорні діри вперше утворилися.

Дослідження, опубліковане 6 червня в журналі Physical Review Letters, показує, що ці чорні діри повинні були з'явитися в першу квінтильйонну долю секунди Великого вибуху. “Це дуже рано, і набагато раніше, ніж утворилися протони і нейтрони, частинки, з яких все складається”, — говорить Алонсо-Монсальве.

У нашому повсякденному світі ми не можемо знайти протони і нейтрони в розщепленому вигляді, додала вона, і вони діють як елементарні частинки. Однак ми знаємо, що це не так, тому що вони складаються з ще менших частинок, які називаються кварками, з'єднаних між собою іншими частинками, які називаються глюонами.

“Зараз у Всесвіті неможливо знайти кварки і глюони поодинці і вільно, тому що він занадто холодний, — додала Алонсо-Монсальве. — Але на початку Великого вибуху, коли було дуже гаряче, їх можна було знайти поодинокими і вільними. Отже, первісні чорні діри утворилися шляхом поглинання вільних кварків і глюонів”.

Таке формування зробило б їх принципово відмінними від астрофізичних чорних дір, які вчені зазвичай спостерігають у Всесвіті і які є результатом колапсу зірок. Крім того, первісна чорна діра була б набагато меншою — лише маса астероїда, в середньому сконденсована в об'ємі одного атома. Але якщо достатня кількість цих первинних чорних дір не випарувалася під час раннього Великого вибуху і дожила до наших днів, вони могли б пояснити всю або більшу частину темної матерії.

Довготривалий підпис

Згідно з дослідженням, під час утворення первинних чорних дір, як побічний продукт, мав утворитися інший тип раніше небачених чорних дір. Вони були б ще меншими — лише маса носорога, стиснута в об'єм, менший за об'єм одного протона.

Ці мізерні чорні діри, завдяки своєму маленькому розміру, змогли б перейняти з кварк-глюонної маси, в якій вони утворилися, рідкісну і екзотичну властивість, яка називається “кольоровим зарядом”. За словами Кайзера, це стан заряду, притаманний виключно кваркам і глюонам, який ніколи не зустрічається у звичайних об'єктах.

Цей кольоровий заряд робить їх унікальними серед чорних дір, які зазвичай не мають жодного заряду. “Неминуче, що ці ще менші чорні діри також утворилися б, як побічний продукт (утворення первинних чорних дір), — каже Алонсо-Монсальве, — але сьогодні їх би вже не було, оскільки вони б уже випарувалися”.

Однак, якщо вони все ще існували за десять мільйонних часток секунди до Великого вибуху, коли утворилися протони і нейтрони, вони могли залишити видимі сліди, змінивши баланс між цими двома типами частинок.

“Баланс між кількістю протонів і нейтронів дуже тонкий і залежить від того, що ще існувало у Всесвіті на той момент. Якби ці чорні діри з кольоровим зарядом все ще існували, вони могли б змістити баланс між протонами і нейтронами (на користь одних або інших), якраз настільки, щоб протягом наступних кількох років ми змогли це виміряти”, — додала вона.

За словами Кайзера, це можна зробити за допомогою наземних телескопів або чутливих інструментів на орбітальних супутниках. Але може бути й інший спосіб підтвердити існування цих екзотичних чорних дір, додав він.

“Створення популяції чорних дір — це дуже бурхливий процес, який спричинив би величезні хвилі в навколишньому просторі-часі. Протягом космічної історії вони будуть послаблюватися, але не до нуля, — сказав Кайзер. — Наступне покоління гравітаційних детекторів може побачити чорні діри малої маси — екзотичний стан матерії, який є несподіваним побічним продуктом більш буденних чорних дір, що може пояснити темну матерію сьогодні”.

Багато форм темної матерії

Що це означає для поточних експериментів, які намагаються виявити темну матерію, таких як LZ Dark Matter Experiment у Південній Дакоті?

“Ідея про існування екзотичних нових частинок залишається цікавою гіпотезою, — каже Кайзер. — Існують й інші види великих експериментів, деякі з яких перебувають на стадії розробки, які шукають хитромудрі способи виявлення гравітаційних хвиль. І вони дійсно можуть вловити деякі з блукаючих сигналів від дуже бурхливого процесу формування первинних чорних дір”.

Існує також можливість, що первісні чорні діри — це лише частка темної матерії, додає Алонсо-Монсальве. “Це не обов'язково має бути однаково, — сказала вона. — Темної матерії в п'ять разів більше, ніж звичайної, а звичайна матерія утворюється з безлічі різних частинок. То чому темна матерія має бути єдиним типом об'єкта?”.

За словами Ніко Каппеллуті, доцента кафедри фізики Університету Маямі, первісні чорні діри знову набули популярності з відкриттям гравітаційних хвиль, проте про їхнє формування відомо не так багато, як хотілося б. Він не брав участі в дослідженні.

“Ця робота є цікавим, життєздатним варіантом пояснення невловимої темної матерії”, — сказав Каппеллуті.

Дослідження є захопливим і пропонує новий механізм утворення першого покоління чорних дір, сказала Пріямвада Натараджан, професорка астрономії та фізики імені Джозефа С. і Софії С. Фрутон з Єльського університету. Вона також не брала участі в дослідженні.

“Весь водень і гелій, які ми маємо сьогодні у Всесвіті, були створені за перші три хвилини, і якби достатня кількість цих первинних чорних дір існувала до того часу, вони б вплинули на цей процес, і ці ефекти можна було б виявити”, — сказала Натараджан.

“Той факт, що цю гіпотезу можна перевірити за допомогою спостережень, я вважаю справді захопливим, окрім того, що це свідчить про те, що природа, ймовірно, створювала чорні діри, починаючи з найдавніших часів, різними шляхами”, — додала вона.

Нагадаємо, в центрі яскравої галактики OJ 287, яка розташована на відстані приблизно 4 мільярдів світлових років, є подвійна система чорних дір. Науковці зробили відкриття завдяки масштабному спалаху, який відбувся ще 2021 року.