Космологи уже давно подозревали, что условия в ранней Вселенной могли привести к образованию черных дыр вскоре после Большого взрыва. Эти «первичные черные дыры» имеют гораздо более широкий диапазон масс, чем те, которые образовались в результате смерти звезд в более поздней Вселенной, а некоторые даже конденсируются до размеров одного атома.
На сегодняшний день первичных черных дыр не наблюдалось. Если они существуют, они могли бы дать объяснение, по крайней мере, части «темной материи» Вселенной: материи, которая, по-видимому, не взаимодействует с обычной материей посредством электромагнетизма, но влияет на гравитационную динамику галактик и других объектов во Вселенной.
Теперь у нас может появиться новый способ обнаружения первичных черных дыр, хотя и в очень ограниченной форме.
Этот метод использует гравитационные волны.
Гравитационные волны были впервые обнаружены в 2015 году обсерваторией гравитационных волн LIGO. Это «рябь» в пространстве-времени, вызванная драматическими событиями во Вселенной — чаще всего столкновением гигантских объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды звездной массы. Программа LIGO-Virgo-KAGRA (LKV) с 2015 года обнаружила около 90 подтвержденных источников гравитационных волн.
В исследовательской записке, опубликованной в этом месяце, гарвардский астрофизик Ави Леб исследовал, могут ли детекторы LKV обнаружить признаки первичных черных дыр, особенно тех, которые проносятся со скоростью, близкой к скорости света, или других подобных объектов, движущихся с высокими скоростями.
«Все источники гравитационных волн, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой слияния астрофизических объектов звездной массы, таких как черные дыры или нейтронные звезды, на космологических расстояниях», — написал Леб в своем посте на Medium в августе. Но это не единственные возможные источники.
«Представьте себе релятивистский объект, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, на расстоянии от LIGO, которое сравнимо с радиусом Земли. При максимальном приближении такой объект будет производить гравитационный сигнал», который сильно зависит от его массы и скорости, с которой он движется, говорит Леб.
Благодаря нынешним возможностям LKV детекторы могли обнаружить любой объект массой 100 мегатонн (масса меньшего астероида в несколько сотен метров в диаметре), движущийся со скоростью, близкой к скорости света. Но только если они подойдут к детекторам на расстояние половины диаметра Земли.
Другими словами, детекторы LKV заметили бы, если бы объект такой массы прошел мимо Земли или в непосредственной близости от ее поверхности за десятилетие, начиная с 2015 года, при условии, что он двигался с очень высокой скоростью.
Если бы астероид такой массы столкнулся с Землей на такой скорости, мы, конечно, узнали бы об этом по разрушительному удару. Поэтому эта возможность представляет особый интерес для компактных объектов, таких как первичные черные дыры диаметром с атом или меньше, которые могут незаметно пролететь мимо Земли или даже проникнуть в нее.
Детекторы ЛКВ не обнаружили такого объекта.
Это неудивительный результат, учитывая, что это очень ограниченная возможность обнаружения. Он не предоставляет информацию об объектах, находящихся на расстоянии более 6000 километров от земной поверхности, а также не обнаруживает более медленно движущиеся объекты.
Будущие детекторы гравитационных волн, такие как детектор LISA ЕКА, запуск которого ожидается в следующем десятилетии, расширят этот диапазон, хотя и незначительно.
Но если вы ищете ответы на некоторые из самых сложных вопросов Вселенной, стоит поискать везде, где только можно. Этот особенный камень не остался нетронутым.
Прочтите исследовательскую заметку в RNASS здесь.
