Самые ранние черные дыры во Вселенной, называемые первичными черными дырами (ПЧД), являются серьезными претендентами на объяснение того, почему Вселенная тяжелее, чем кажется. Есть только одна проблема: этих миниатюрных монстров точно не наблюдалось — пока. Но когда астрономы их найдут, они могут оказаться частью компонента темной материи Вселенной.
Первичные черные дыры — один из нескольких типов очень массивных объектов, которые, как считается, существуют во Вселенной. Мы уже знаем о черных дырах звездной массы. Они образуются во время гибели чрезвычайно массивных звезд и обычно содержат до десятков солнечных масс. Еще есть сверхмассивные черные дыры, встроенные в сердца большинства галактик. Они связывают до миллионов солнечных масс.
Черные дыры промежуточной массы занимают середину спектра «черных дыр». Это еще одна горячая тема в кругах исследователей черных дыр. Соответственно, массы этих черных дыр находятся между их звездными и сверхмассивными аналогами. Все эти типы массивных объектов могут сталкиваться друг с другом, образуя черные дыры большего размера. Это генерирует гравитационные волны, которые можно обнаружить. «Пинг» каждой гравитационной волны многое говорит ученым о сталкивающихся объектах, включая их массы.
Понимание первичных черных дыр в контексте космической истории
Пока астрономы ищут PHB, другие пытаются объяснить, почему они могут быть частью компонента темной материи Вселенной. Кроме того, они могли бы объяснить происхождение двойных черных дыр, обнаруженных при наблюдениях гравитационных волн.
Группа исследователей из Токийского университета изучила «проблему» ЧДД. Их работа предполагает, что таких объектов должно быть гораздо меньше, чем показывают текущие модели. Но никто не знает, сколько их существовало тогда. Поэтому астрономы ищут их с помощью гравитационно-волновых обсерваторий. Их открытие должно пролить свет на условия в ранней Вселенной, когда формировалась PBH.
Об этих миниатюрах интересно думать. «Многие исследователи считают, что они являются сильными кандидатами на роль темной материи, но их должно быть много, чтобы подтвердить эту теорию», — сказал аспирант и член команды Джейсон Кристиано. «Они интересны и по другим причинам: после недавних инноваций в гравитационно-волновой астрономии были открыты слияния двойных черных дыр, которые можно объяснить, если ПЧД существуют в больших количествах. Но, несмотря на эти веские причины для их ожидаемой численности, мы не увидели их напрямую, и теперь у нас есть модель, которая должна объяснить, почему это так».
Моделирование существования первичных черных дыр
Большой вопрос о PHB: существуют ли (или существовали) они? И могут ли они быть частью темной материи Вселенной? Чтобы ответить на этот вопрос, Кристиано и его советник Дзюнъити Ёкояма исследовали модели формирования PBH. Лучшие из них не согласуются с наблюдаемыми условиями оставшегося светового отпечатка Большого Взрыва. Это называется космическим микроволновым фоном (CMB). Это важно, поскольку ПЧД образовались в очень ранние эпохи космической истории, вскоре после Большого взрыва. Итак, команда использовала лучшую модель формирования PBH и применила квантовую теорию поля, чтобы привести модель в соответствие с реальностью.
Ёкояма объяснил подоплеку своей работы. «Вначале Вселенная была невероятно маленькой, намного меньше размера одного атома. Космическая инфляция быстро увеличила это значение на 25 порядков. В то время волны, проходящие через это крошечное пространство, могли иметь относительно большие амплитуды, но очень короткие длины волн. Мы обнаружили, что эти крошечные, но сильные волны могут привести к необъяснимому усилению гораздо более длинных волн, которые мы видим в современном реликтовом излучении», — сказал Ёкояма.
«Мы считаем, что это связано со случайными случаями когерентности между этими ранними короткими волнами, которые можно объяснить с помощью квантовой теории поля, самой надежной теории, которая у нас есть для описания повседневных явлений, таких как фотоны или электроны. В то время как отдельные короткие волны были бы относительно бессильны, сплоченные группы могли бы изменить форму волн, гораздо более крупных, чем они сами. Это редкий случай, когда теория чего-то на одном крайнем уровне, кажется, объясняет что-то на противоположном конце шкалы».
От флуктуаций к миниатюрным черным дырам
Те ранние мелкомасштабные флуктуации, которые описывает Йокогама, влияют на некоторые более крупномасштабные флуктуации космического микроволнового фона. Исследователи могут использовать измерения длин волн реликтового излучения, чтобы ограничить протяженность соответствующих длин волн в ранней Вселенной. Это также накладывает некоторые ограничения на любые другие явления, основанные на более коротких и сильных длинах волн. И здесь снова на помощь приходят PBH.
«Широко распространено мнение, что коллапс коротких, но сильных волн в ранней Вселенной — это то, что создает первичные черные дыры», — сказал Кристиано. «Наше исследование предполагает, что ПЧД должно быть гораздо меньше, чем необходимо, если они действительно являются сильными кандидатами на события темной материи или гравитационных волн».
Следующий шаг опирается на обсерватории гравитационных волн и другие виды наблюдений. LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии сотрудничают в наблюдениях, направленных на поиск первых PHB. Результаты должны помочь уточнить идеи команды Ёкоямы о PHB и темной материи.
Для дополнительной информации
Дело о пропавших черных дырах
Ограничение образования первичных черных дыр из-за инфляции одного поля
Примечание о биспектральных и однопетлевых поправках в однополевой инфляции с образованием первичных черных дыр.
