Вселенная может быть полна крошечных древних черных дыр. И ученые могут это доказать. Эти миниатюрные черные дыры могли образоваться буквально в начале времен, поэтому их и называют изначальными или первичными черными дырами (ПЧД). Исследователи «придумали» их несколько десятилетий назад в качестве еще одного возможного объяснения темной материи — невидимой субстанции, которая была введена для решения проблемы несоответствия количества обычной материи с гравитационными силами, которые в том числе удерживают галактики от распада на части.

Большинство современных теорий связывают темную материю с гипотетическими частицами со специальными свойствами, которые помогают им уклоняться от прямого обнаружения. Но некоторые исследователи считают, что рои миниатюрных черных дыр, движущихся подобно облакам в космосе, дают более реалистичное объяснение. Новое исследование объясняет, откуда могли взяться эти ПЧД и как астрономы могут обнаружить признаки их рождения.

Откуда могут взяться маленькие черные дыры?

Черная дыра — пожалуй, самый необычный космический объект, имеющий крайне высокую (бесконечную) плотность. Она образуется, когда материя становится настолько плотно упакованной, что гравитационная сила перебарывает все остальные. В итоге образуется объект, который сильно искривляет пространство-время и окружает себя горизонтом событий: сферической пограничной областью, за пределы которой не может выйти даже свет.

Законы общей теории относительности максимально лояльны к черным дырам и позволяют им существовать в любом масштабе: сожмите маковое зернышко достаточно сильно, и оно станет черной дырой, с горизонтом событий атомного масштаба.


Черные дыры в центрах галактик могут быть настолько большими, что мы можем получить их фото с расстояния в многие миллионы световых лет. Однако ОТО не запрещает существование черных дыр любых размеров.

Поэтому большинство теорий, которые предполагают, что первичные черные дыры имеют массу, как у небольших планет, и горизонты событий как грейпфруты, ничему не противоречат. «Это весьма диковинная идея, которая все еще находится на грани физики черных дыр и темной материи», — сказал Джоуи Нилсен, физик из Университета Вилланова, который не принимал участия в новом исследовании. Но в последнее время, когда другие теории, объясняющие темную материю, таки не получилось подтвердить, некоторые исследователи снова взглянули на ПЧД.

Если первичные черные дыры существуют, они должны быть очень старыми. Вернее, вообще самыми старыми сохранившимися объектами во Вселенной. Насколько мы знаем, существует только два способа создания новых черных дыр из «нормального» вещества: столкновения или взрывы звезд, которые намного тяжелее Солнца. Для понимания масштабов: каждая из известных черных дыр весит ощутимо (а временами и на много порядков) больше, чем вся Солнечная система.

Поэтому создание маленьких черных дыр требует совершенно другого набора механизмов и ингредиентов. И эти ингредиенты являются «веществом Большого взрыва, тем же веществом, из которого состоят звезды и галактики», — сказал Нилсен.

Сразу после Большого взрыва расширяющаяся Вселенная была заполнена горячей, плотной и практически однородной материей, расширяющейся во всех направлениях. В этом вареве были небольшие очаги турбулентности — их все еще можно заметить как флуктуации космического микроволнового фона, послесвечения Большого взрыва — и именно эти флуктуации задали текущую структуру Вселенной.


Реликтовое излучение — реальный остаток Большого взрыва.

«Если плотность вещества в точке А немного больше, тогда вещество будет гравитационно притягивается к точке А», — сказал Нилсен. «И на протяжении всей истории Вселенной это притяжение заставляет газ и пыль сливаться, коллапсировать и формировать звезды, галактики и все структуры во Вселенной, о которых мы знаем».

Большинство теорий первичных черных дыр предполагают очень сильные флуктуации в ранней Вселенной, более сильные, чем те, благодаря которым сформировались галактики. И в недавней статье исследователи помещают эти сильные колебания в период, известный как «инфляция».

В первую тысячную миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва Вселенная расширялась очень-очень быстро. Это быстрое раннее расширение дало пространству-времени его нынешнюю «плоскую» форму, как полагают исследователи, и, вероятно, предотвратило искривление пространства (на данный момент мы точно знаем, что законы геометрии — сумма углов плоского треугольника равна 180 градусам — выполняется на масштабах в сотню световых лет).

В новой работе, опубликованной 20 ноября в базе предварительных статей на arXiv, исследователи предположили, что во время инфляции могли быть моменты, когда все пространство-время сильно искривлялось, прежде чем в конечном итоге выпрямиться. И эти короткие искривления могли вызвать флуктуации в расширяющейся Вселенной, достаточно интенсивные, чтобы в конечном итоге сформировать большую популяцию черных дыр земной массы.


Современная модель развития Вселенной.

Как найти крошечные черные дыры

Теория — это, конечно, хорошо, но можно ли ее подтвердить на практике? Авторы новой работы пишут, что самый простой способ доказать правильность их теории — это поискать вторичные гравитационные волны, эхом разносящиеся по Вселенной.

Эти волны, намного более слабые, чем гравитационные волны, возникающие при столкновении черных дыр, должны исходить от тех же возмущений, которые сформировали первичные черные дыры. Эти колебания во Вселенной должны быть настолько слабыми, что будут неслышимыми для современных детекторов. Однако два будущих метода помогут их найти.

Первый подход: использование множества пульсаров. Космос заполнен вращающимися нейтронными звездами, известными как пульсары, которые при вращении посылают к Земле вспышки энергии. Пульсары похожи на очень точные тикающие часы в небе, но их сигналы могут искажаться гравитационными волнами. Вторичная гравитационная волна, проходящая между Землей и пульсаром, искривит пространство-время, заставляя сигнал от пульсар прийти немного раньше или позже.

И такую разницу во времени вполне можно засечь. Вернее, можно было засечь до последнего времени: один из самых крупных и точных в мире радиодетекторов, гигантский Аресибо в Пуэрто-Рико, был полностью разрушен и не подлежит восстановлению.


Остатки телескопа Аресибо.

Но даже если в ближайшие несколько десятилетий у нас не появится еще одного не менее точного радиодетектора, есть план Б: следующее поколение детекторов гравитационных волн должно быть достаточно чувствительным, чтобы улавливать эти вторичные гравитационные волны, пишут авторы.

Текущие детекторы гравитационных волн похоронены под землей, ища флуктуации в пространстве-времени, измеряя изменения во времени прохождения света между разнесенными на несколько километров датчиками. Но различные негативные эффекты — небольшие землетрясения, морские волны, ударяющиеся о далекие берега, и даже кролики, прыгающие над детекторами — могут испортить сигнал.

В 2034 году Европейское космическое агентство планирует запустить в космос спутник Laser Interferometer Space Antenna (LISA, Лазерная интерферометрическая космическая антенна), который будет гораздо более чувствительным космическим детектором гравитационных волн, который позволит избежать таких ошибок. Авторы новой работы написали, что LISA также должна улавливать вторичные гравитационные волны. Ну и самое главное — их обнаружение докажет, что ПЧД отвечают за большую часть (если не за всю) темную материю во Вселенной.