«Иногда полезно думать о чем-то несуществующем»: астроном о темной материи и первичных черных дырах

Темная материя, ускользающая в течение последних тридцати лет от детекторов физиков-экспериментаторов, может представлять собой первичные черные дыры — объекты, появившиеся на самой заре существования Вселенной, когда привычной для нас материи еще не было. Впервые гипотеза о существовании таких черных дыр была высказана советскими учеными Яковым Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1967 году.

Один из тех, кто развивает эту теорию, — Бернард Карр (Bernard Carr), профессор математики и астрономии Лондонского университета королевы Марии и ученик Стивена Хокинга. Он приехал в Москву и прочитал в ФИАНе лекцию о том, что было сделано в этой области за прошедшие 50 лет, а также ответил на вопросы журналистов. Давайте узнаем о первичных черных дырах из первых рук.

Хотелось бы задать немного тривиальный вопрос: гипотеза о том, что первичные черные дыры могут составлять темную материю, все еще актуальна или уже была отвергнута?

Проблема темной материи сегодня все еще существует: большая часть материи — темная, есть серьезные доказательства этого, и сегодня предлагается множество кандидатов на роль составляющих ее частиц. Некоторые из них — элементарные частицы, так называемые вимпы. Однако исследователям интересны и другие кандидаты, в число которых входят первичные черные дыры. Наверное, большинству исследователей хотелось бы, чтобы темная материя оказалась одной из форм элементарных частиц — просто в мире гораздо больше специалистов по физике элементарных частиц, чем по астрофизике. Но проблема в том, что вимпы ищут уже около 30 лет, и до сих пор ничего не обнаружили. Их искали с помощью ускорителей, пытаясь отследить аннигиляцию частиц, а также методом прямого наблюдения взаимодействия частиц. Никаких признаков найти не удалось.

Это не значит, что темная материя не может состоять из частиц, однако никаких доказательств этого на сегодня нет. Конечно, спустя столько времени отрицательный результат немного разочаровывает.

Черные дыры интересны тем, что мы знаем, что они существуют и что они темные. Так что в некотором смысле черные дыры всегда были хорошими кандидатами на роль составляющих темной материи. Но известные нам объекты, продукты коллапса звезд и большие черные дыры в центре галактик, обладают гораздо меньшей плотностью, чем мы ожидаем от темной материи — лишь малой долей.

Кроме того, черные дыры, состоящие из «обычной» материи, не могут быть источником темной материи по более «техническим» причинам. Первичный нуклеосинтез легких элементов, происходивший в первые минуты после Большого взрыва, накладывает ограничения на плотность барионной материи, состоящей из «обычных» атомов, и она должна быть намного меньше, чем плотность темной материи — как минимум в пять раз.

Вклад темной материи в критическую плотность Вселенной составляет 0,25. Однако плотность барионной материи должна быть меньше чем 0,05 от критической плотности. Таким образом, обычная барионная материя не может быть и темной материей, поэтому обычные черные дыры, которые рождаются при смерти звезд, не подходят на роль кандидатов. Однако первичные черные дыры сформировались очень рано, до первичного нуклеосинтеза и, возможно, они могут составлять темную материю.

Обычные черные дыры взаимодействуют с барионной материей: они поглощают ее, они гравитационно влияют на нее, и мы можем находить их с помощью косвенных методов. Кроме того, у них есть излучение Хокинга. Как первичные черные дыры могут быть темной материей, если получается, что они на самом деле не такие темные?

Первичные черные дыры охватывают огромный диапазон масс — начиная с планковской (10-5 солнечных) до средней солнечной массы. Масса тех дыр, которые испаряются благодаря процессам, открытым Хокингом, составляет 1015 грамм, они очень маленькие. К настоящему времени они уже испарились и темную материю составлять не могут. Однако они все еще очень интересны из-за квантовых эффектов. И Стивен Хокинг стал думать о возможности испарения черных дыр именно в тот момент, когда размышлял о первичных черных дырах. Только они достаточно малы, чтобы уже испариться.

Даже если черных дыр не существуют, предполагать их наличие было крайне полезно, иначе бы Хокинг не открыл испарение Хокинга, а это — один из наиболее захватывающих результатов физики ХХ века. Звучит забавно, но этот случай показывает, что иногда бывает полезно думать о чем-то несуществующем, потому что даже если первичные черные дыры не сформировались, размышления об их возможных свойствах привели к важному открытию.

Тем не менее, первичные черные дыры с массой 1015 грамм не могут составлять темную материю, потому что они уже должны были бы испариться. Конечно, у них может быть масса других интересных эффектов — например, они могут взрываться и создавать гамма-всплески. Однако для темной материи нужны объекты покрупнее — и они вполне могут существовать.

Если эти первичные черные дыры массивнее, чем наше Солнце, тогда они будут похожи на черные дыры, рожденные в результате коллапса звезд. Мы будем наблюдать их как источники мощного рентгеновского излучения и гравитационные линзы, они будут поглощать материю и так далее. То есть их можно зарегистрировать и даже наложить на них ограничения.

Однако первичные черные дыры могут существовать и в другом промежутке масс — менее одной солнечной, но более 1015 грамм. Они меньше обычных, а значит, их труднее обнаружить. Тем не менее, способы все-таки существуют — например, через гравитационное линзирование.

Я провел очень много времени с коллегами в поисках ограничений по массе, и мы пришли к выводу, что существуют всего три небольших «окна». Одно — 1017–1015 граммов, эти черные дыры уже испарились; другое — близкое к лунным и планетарным массам, около 1023 граммов, просто потому что этот вариант не исключается разными типами наблюдений; и затем идет самое интересное окно — около 10 солнечных масс. Они могут служить гравитационными линзами и быть источником гравитационных волн. Есть шанс, что гравитационные волны, «пойманные» LIGO, исходили от первичных черных дыр, потому что они оказались намного более массивными, чем ожидалось. На сегодняшний день было зарегистрировано пять событий, и все черные дыры оказались больше, чем предсказывалось изначально. Например, черные дыры, которые образуются при слиянии черных дыр, обладают меньшими размерами (считается, что они могут быть тем самым недостающим «переходным» звеном. — Прим. ред).

Это надежная гипотеза или пока что все находится только на стадии дискуссии?

Нет, это лишь возможность. Ничего определенного сказать нельзя. Зависит от того, куда ты идешь: если я пойду навстречу приверженцам теории первичных черных дыр, то услышу, что источником гравитационных волн были первичные черные дыры. Такая возможность рассматривается, и все статьи LIGO обращаются к первичным черным дырам. Понимаете, в науке каждый работает над тем, над чем хочет. Намного больше людей занимаются обычными звездами и звездной эволюцией, чем первичными черными дырами, поэтому те, кто изучают звезды, предпочли бы, чтобы сигналы, зарегистрированные LIGO, появлялись благодаря обычным звездам. Однако небольшая доля исследователей, работающих над первичными черными дырами, конечно, предпочла бы, чтобы источником были первичные черные дыры.

Это ничего не говорит нам об истине, я лишь обращаю внимание на то, что на астрономов до некоторой степени влияет область их работы. Я работал над первичными черными дырами почти 50 лет, поэтому надеюсь, что они реальны. Однако я принадлежу к меньшинству. Ученые, которые работают над другими типами темной материи, предпочли бы, чтобы правы оказались именно они. Но в действительности мы пока не знаем, кто прав, так как у нас нет доказательств.

Могли бы небольшие первичные черные дыры быть источником быстрых радиовспышек, которые зарегистрировала обсерватория Паркса и другие крупные радиотелескопы?

Не обязательно, но некоторые считают, что они могут быть связаны с источниками быстрых радиовсплесков. Все, что тут можно сделать — наложить ограничения на число и параметры черных дыр, которые не противоречат наблюдениям: если бы первичных черных дыр с определенной массой и плотностью было бы больше, мы бы видели радиовсплески чаще. Однако полностью исключить небольшие первичные черные дыры нельзя. Взрывы таких дыр могут ионизировать Вселенную, излучать электрон-позитронные потоки, так что, в принципе, они могут также отвечать за многие другие процессы.

Существует ли список критериев, по которому можно узнать, что мы видим первичную черную дыру при радиовспышке или другом электромагнитном событии?

Я не могу точно ответить на этот вопрос в контексте быстрых радиовсплесков, потому что здесь очень много моделей — как и с гамма-всплесками. На протяжении двадцати лет мы знали об их существовании, но не могли указать на их источник. И только благодаря LIGO мы узнали, что гамма-всплески могут происходить при слиянии нейтронных звезд. Однако предполагалось также, что небольшая часть коротких гамма-всплесков могла быть вызвана взрывами черных дыр. Довольно волнительно думать, удастся ли тебе найти взрывающиеся черные дыры, о которых говорил Хокинг. Это не самая популярная гипотеза, но это возможно.

Каждый раз, когда у нас появляется объяснение некоего явления, требующее наличия первичных черных дыр, необходимо спросить себя: возможно ли другое объяснение? И всегда другое объяснение есть. Поэтому не так-то просто получить однозначные доказательства, что наблюдаемое событие было вызвано первичной черной дырой. То же самое относится и к гравитационным волнам — доказать, что их источником были первичные черные дыры, будет нелегко.

Давайте вернемся назад: как могли сформироваться первичные черные дыры? И как они влияли на процессы в ранней Вселенной?

Первичные черные дыры могут формироваться самыми разными способами. Первая версия предполагала, что Вселенная с самого начала была не гомогенной, в ней возникали колебания плотности, благодаря которым, в конечном итоге, возникли галактики. Есть теория, что эти же колебания плотности могли привести к рождению черных дыр в ранней Вселенной, однако у них должна была быть намного большая амплитуда. В принципе, это возможно: первые модели, над которыми я работал, строились на колебаниях плотности.

Однако есть и другие способы. Например, может быть такая ситуация, что Вселенная в какой-то момент проходит через мягкое уравнение состояния, потому что сокращается давление. И если имеет место именно это, то черные дыры могут коллапсировать намного легче. Мои русские коллеги, Клопов и Комаров, много работали над этим сценарием. И если был такой переход, когда давление сильно упало, то первичные черные дыры могли сформироваться именно тогда.

Кроме того, рождение первичных черных дыр могло происходить с участием космических струн, которые формировали петли и коллапсировали. Еще есть доменные стенки...

Теория Виленкина?

Да, хотя он и не был первым, кто думал над этим сценарием.

Способ, который привлекает больше всего внимания, — инфляционный сценарий. Инфляция, в первую очередь, стремится избавиться от черных дыр, рожденных до того момента, как Вселенная начала раздуваться. Однако инфляция в то же самое время порождает черные дыры. При определенных условиях она может генерировать колебания плотности, а они, в свою очередь, дают начало черным дырам. На эту тему написано сотни научных статей. На самом деле, если у вас есть модель инфляции, то первое, о чем вы думаете, — могла ли она породить первичные черные дыры? На модель инфляции можно наложить ограничения, согласно которой в ней не может родиться слишком много черных дыр. И это, пожалуй, наиболее предпочтительная модель.

Если черные дыры появились еще до первых звезд и галактик, то как они вели себя в ранней Вселенной?

Формирование черных дыр происходило много миллиардов лет назад, поэтому на наше понимание их природы будет влиять модель ранней Вселенной. Первичные черные дыры важны для понимания того, что происходило после Большого взрыва, и, в частности, для понимания проблемы инфляции. Однако вопрос в том, какие космологические эффекты они должны были вызвать? Это во многом зависит от их массы. Если они очень маленькие и уже испарились, то они могут участвовать во многих процессах — разогревать Вселенную, реионизировать ее, быть источником космического излучения. Если они больше, то могут делать другие интересные вещи — и даже быть темной материей. Если же они еще больше, то они могут влиять на крупномасштабные структуры. Например, нам известно, что в центре каждой галактики есть сверхмассивная черная дыра. В нашей галактике это объект массой четыре миллиона солнечных. Квазары должны содержать черные дыры с массой порядка 100 миллионов солнечных. Есть даже черные дыры с массой от двух до двадцати миллиардов солнечных, нам известны такие галактики.

Стандартная модель предполагает, что они формируются после галактик. Однако проблема в том, что мы видим эти большие черные дыры в очень ранний период времени и не понимаем, как они могли сформироваться в ту эпоху. Один из возможных путей «обхода» этой проблемы — предположить, что черные дыры предшествовали галактикам. И может быть, они даже обладали массой в миллион солнечных, которые поглотили достаточно вещества, чтобы сформировать те объекты, которые мы видим в центрах галактик.

В принципе, даже черные дыры, которые мы находим в центральных областях галактик, могут быть первичными. В этом случае они не будут темной материей, но зато они могли дать начало галактикам, так как их гравитация влияет на огромную область пространства — в 1-10 тысяч раз больше солнечной массы. Недавно я работал над теорией, которая предполагает, что первичные черные дыры могли быть очень большими, в миллион солнечных масс. В этом случае они оказали бы огромное влияние на раннюю Вселенную — могли бы сформировать не только галактики, но и первые облака. Эта гипотеза получила развитие лишь недавно, и она очень волнует меня.

Сегодня есть три наиболее обсуждаемые темы: первичные черные дыры и темная материя, первичные черные дыры и источники гравитационных волн и первичные черные дыры и космические структуры. Любая из них звучит захватывающе. Если нам очень повезет, то первичные черные дыры будут объяснять все наблюдаемые феномены, но для этого нужна расширенная функция масс — от менее одной солнечной до миллиона солнечных. Однако даже если они окажутся связаны хоть с одним процессом, это уже будет чудо.

Ни один из предложенных сценариев нельзя назвать самым популярным, но мы не должны опускать руки. Мне нравится думать о потенциально возможных вещах. Я работал над первичным черными дырами почти 50 лет и до сих пор не знаю, существуют ли они. Конечно, это очень расстраивает, потому что я скоро выхожу на пенсию. Однако в последние несколько лет люди начинают все больше интересоваться этой темой из-за темной материи, LIGO и крупномасштабных космических структур. Если вы посмотрите на число статей, посвященных этой теме, то увидите, что множество ученых пишет о первичных черных дырах — что для меня теперь создает некоторые трудности, потому что я не успеваю их все читать. Долгие годы первичные черные дыры были непопулярной областью, не так много космологов исследовало их. Сейчас ситуация изменила.

Ожидаете ли вы, что открытие таких объектов поможет теоретикам решить проблему теории струн? В последние годы некоторые исследователи пришли к выводу, что теория суперсимметрии ошибочна, потому что Большой адронный коллайдер не находит доказательств ее существования, и такие ученые, как Питер Войт и Ли Смолин, постоянно критикуют теорию струн и общую теорию относительности.

Доказательств суперсимметрии на сегодня нет, это кризис для теории струн. БАК нашел бозон Хиггса, но мы не нашли свидетельств суперсимметрии, и это одна из причин, по которой исследователи беспокоятся, существуют ли вообще вимпы.

С другой стороны, если вы говорите о первичных черных дырах, вы всегда находитесь в области домыслов. Теория струн — это математика, и никакие наблюдения не подтверждают ее существования, и более того, мы не смогли бы получить никаких доказательств, потому что диапазон энергий, в котором мы должны были бы работать, крайне велик по сравнению с тем, что мы можем получить в Большом адронном коллайдере.

Смолин не считает, что теория струн — это физика, по его мнению, это скорее математика, и по этой же причине — ее нельзя наблюдать непосредственно — он отвергает мультивселенную. Я не согласен с ним. Да, трудно представить себе, как можно доказать существование мультивселенной через наблюдения, но еще слишком рано говорить, что это не физика. Кто может с уверенностью сказать, что мы не получим подтверждения теории струн, только потому, что за прошедшие двадцать лет мы не смогли решить уравнения? Это не значит, что мы не решим их через сто лет.

Физики очень нетерпеливы, они хотят решать проблемы сразу же, но некоторые проблемы бывают действительно сложными. На поиск гравитационных волн ушло сто лет. Только потому, что нам пришлось ждать больше 20 лет, чтобы связать теорию струн с наблюдениями, нельзя сказать, что это не наука. То же касается и мультивселенной — только потому, что кто-то говорит, что мы не можем ее увидеть... Но кто сказал, что мы не можем? Признаки ее существования будут заметны: столкновения, другие эффекты. Первичные черные дыры также дают возможность проверить чьи-то теории — например, модели инфляции или теорию суперструн. Если существование первичных черных дыр будет доказано, то они дадут нам информацию об очень ранней Вселенной, а это позволит проверить модели высокоэнергетической физики.

И не только это — вы упоминали Виленкина. У него есть собственная модель мультивселенной, и одно из ее предсказаний говорит о том, что она может порождать первичные черные дыры. В этом случае, мог бы заявить Виленкин, первичные черные дыры служат доказательством мультивселенной.

Записала Кристина Уласович

Источник