[Перевод] Тёмная материя может оказаться распределённой по чёрным дырам
Учёные не в первый раз предполагают, что чёрные дыры могут состоять из тёмной материи, но считалось, что эта возможность уже исключена. Восстановление идеи — один из примеров творчества, следующего за новым открытием.
Когда 11 февраля 2016 года представитель проекта aLIGO [Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer — улучшенная лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория] объявил об открытии гравитационных волн, я был поражён. Мы, конечно, ожидали, что в какой-то момент aLIGO выдаст что-нибудь интересное, но думали, что это будет какое-то осторожное предположение. Мы думали, что после многих месяцев и даже лет обработки данных проект сможет показать нам слабый сигнал, едва возвышающийся над уровнем шума.
Но нет, показанные в тот судьбоносный день февраля графики были настолько чёткими и недвусмысленными, что меня не пришлось ни в чём убеждать. Невооружённым глазом я мог видеть ни с чем не сравнимый волновой рисунок столкновения двух крупных чёрных дыр, объединяющихся в одну, и испускающих вследствие этого гравитационные волны в окружающее пространство.
И это ещё не всё. aLIGO видел чёрные дыры, которых там не должно было быть. Мы знали о существовании чёрных дыр массами в миллион или триллион раз больше солнечной, и мы видели более мелкие чёрные дыры, массой, сравнимой с солнечную. Но aLIGO увидел ЧД, которые были тяжелее Солнца в 30–60 раз. Некоторые из моих коллег теперь заявляют, что ЧД среднего размера, открытые aLIGO, могут оказаться той самой тёмной материей, что скрывается от нас почти 50 лет.
Учёные не в первый раз предполагают, что чёрные дыры могут состоять из тёмной материи, но считалось, что эта возможность уже исключена. Восстановление идеи — один из примеров творчества, следующего за новым открытием. Идеи, вышедшие из моды, могут вернуться в неё, на них могут посмотреть в новом свете и начать с энтузиазмом прорабатывать — и это, в некоторых случаях, замещает общепринятое мнение. Такие ревизионные открытия иногда собирают вместе очень разные области исследования — в нашем случае это тёмная материя и гравитационные волны — и ведут к обнаружению плодотворных связей.
В 1970-х Стивен Хокинг и его аспирант Бернард Карр предположили, что из хаоса, следовавшего за Большим Взрывом, могло появиться целое море крохотных доисторических чёрных дыр, и заселить затем пространство. Со временем эти ЧД выросли бы, служа семенами будущих галактик. Они, вероятно, даже могли внести свою лепту в общий энергетический бюджет Вселенной. ЧД — тяжёлые и их трудно обнаружить, а именно такими свойствами может обладать пропавшая материя Вселенной.
Несколько десятилетий подряд группа активных сторонников этой идеи развивала её. В 1990-х она, казалось бы, приняла смертельный удар. Эксперимент MACHO направил телескоп на Большое Магелланово Облако и следил за слабым мерцанием, которое могло происходить в случае, если перед звездой пройдёт такой объект, как чёрная дыра. Они обнаружили, что очень сложно будет набрать ЧД достаточно для того, чтобы они ответили за всю тёмную материю Вселенной.
Позже Тимоти Брэндт из Института передовых исследований в Принстоне выяснил, что именно ЧД способны сделать с плотными агломерациями звёзд, известными, как шаровые скопления, существующими в карликовых галактиках, что прячутся в пустоте вокруг Млечного пути. Он показал, что если бы существовало слишком много ЧД, эти шаровые скопления разогрелись бы, раздулись и очень быстро погибли. Подставив нужное количество для определённого скопления в карликовой галактике Эридан II, он смог показать, что в виде ЧД может существовать лишь малая часть тёмной материи. Поэтому ЧД и ТМ стали ещё одной экзотической идеей, с которой любят играться теоретики, но которая не находит отражения в реальном мире.
Вместо этого поиски ТМ сосредоточились на вимпах [слабовзаимодействующая массивная частица / Weakly Interacting Massive Particles, WIMPS]. Это фундаментальные частицы, оставшиеся с очень ранних времён, когда фундаментальные взаимодействия природы были объединены и вели себя совсем не так, как сегодня. Для многих из моих коллег открытие вимпов — событие неизбежное; они обязаны существовать. И большинство космологов верят, что как только мы построим достаточно мощный и большой инструмент для их обнаружения, мы, наконец, увидим эти странные частицы.
Вот только этого пока не случилось. Со временем детекторы становились мощнее и больше, но ничего не нашли. Недавний эксперимент LUX, ищущий редкие частицы, отдающие свою энергию полутонне жидкого ксенона, находящегося в полутора километрах под землёй в городе Лид штата Южная Дакота, не смог предоставить никаких свидетельств существования не обнаруженных до сих пор частиц. Ричард Гейтскел из Брауновского университета, один из создателей LUX, сказал: «Было бы чудесно, если бы улучшение чувствительности выдало нам чёткий сигнал наличия тёмной материи. Однако то, что мы наблюдаем, соответствует только одному фону».
Учитывая отчаянное положение, в котором оказались вимпы, имеет смысл вернуться к старым, умозрительным, отброшенным идеям, валявшимся без движения. Две свежие работы, одну из которых возглавил Симеон Бёрд из Университета Джона Хопкинса, а другую — Мисао Сасаки из Университета Юкавы в Токио, именно этим и занимаются.
Получив стимул в виде открытия aLIGO, они проработали вопрос того, может ли ЧД массой в несколько десятков солнечных, быть тёмной материей. Таких ЧД в Млечном Пути должно быть порядка 10 миллиардов, и ближайшая из них, скорее всего, находится всего в нескольких световых годах от Солнечной системы. Некоторые из этих ЧД могли сойтись вместе и образовать двойные системы, и некоторые из таких систем можно было бы обнаружить с помощью aLIGO. Две команды соглашаются, что aLIGO должен увидеть от нескольких штук до нескольких десятков таких событий в год; их должно быть гораздо больше, чем обычных способов появления ЧД, например, путём коллапса звёзд. Иначе говоря, если эти ЧД и есть тёмная материя галактики, следовало бы ожидать, что мы увидим их в эксперименте aLIGO. И мы их увидели.
Дьявол в мелочах. Каким образом доисторические ЧД могли появиться — вопрос пока открытый. Одна из идей — они появились в короткий период ускоренного расширения ранней Вселенной, известный, как инфляция. Рывки и дрожь такого расширения сконцентрировали бы энергию в плотных кусочках, что привело бы к зарождению ЧД. Чтобы мы могли их обнаружить, этим ЧД необходимо встречаться и сливаться, распространяя гравитационные волны. Как и когда это будет происходить, зависит от формы Млечного Пути, плотности скопления его массы и скорости движения ЧД. Разумные предположения дают многообещающий ответ, но пока это всё ещё предположения.
Пока это первое время в этой области исследований, последовавшее за эйфорией открытия на aLIGO, и может произойти всё, что угодно. Ограничения, наложенные экспериментом MACHO и работой по шаровым скоплениям работают против этой идеей, но некоторые хитрости могут решить проблемы, порождённые наблюдениями.
Открытие aLIGO напоминает мне ещё одно преобразование, за которым я наблюдал в течение моей карьеры. В 1991 году спутник COBE впервые измерил рябь в реликтовом излучении, оставшемся от Большого Взрыва. Полный разочарований и почти донкихотский поиск этих волн шёл более 25 лет, его практически перевели в захолустные уголки космологии. Сама космология казалось эзотерической и сложной для конкретизации, расплывчатой областью, хотя очень интересной и творческой. Но когда эту рябь всё-таки наконец нашли, это зарядило космологию валом идей, относящихся не только к астрономии, но и к физике частиц.
Сейчас уже несколько десятилетий мы пытаемся связать фундаментальные законы природы, работавшие в ранней Вселенной, со способами появления, эволюции и гибели галактик, из-за которых появились сегодняшние крупномасштабные структуры. И если COBE направил меня на путь, которым я следую по сей день, то я могу видеть, как aLIGO сможет сделать то же самое с новым поколением физиков в их поисках тёмной материи.
Педро Феррейра — космолог-теоретик, астрофизик из Оксфордского университета, член Ориелского Колледжа. Работает над происхождением крупномасштабных структур Вселенной, общей теорией относительности и природой тёмной материи и тёмной энергии. Его недавняя книга «Идеальная теория» [The Perfect Theory] — биография общей теории относительности. Её выдвигали на получение книжных призов от королевского научного общества и премии «книга года из области физики».
