Телескоп Нэнси Роман сможет доказать или опровергнуть существование первичных чёрных дыр
Изображение, полученное в результате суперкомпьютерного моделирования космологической среды, в которой первородный газ подвергается прямому коллапсу в чёрную дыру.
Когда Вселенная возникла в результате Большого взрыва, вся её материя была сжата в крошечную область. Космологи предполагают, что в некоторых регионах субатомная материя могла быть настолько плотно упакована, что она коллапсировала в первобытные чёрные дыры. Если такие первобытные чёрные дыры существуют, то они невелики и могут скрываться среди населения свободно плавающих планет.
Чёрные дыры — самые запутанные объекты природы. Теория относительности Эйнштейна предсказывала их существование, но он не верил в то, что чёрные дыры действительно могут появляться. Другие учёные, работая с уравнениями, в конце концов показали, что чёрные дыры могут существовать.
Теперь мы знаем, что они существуют, и знаем, что они настолько плотные, что искривляют пространство-время и притягивают все к себе — даже свет не может вырваться наружу.
Исследователи пытаются раскрыть родословную чёрных дыр. Они знают, что некоторые массивные звёзды ближе к концу своей жизни разрушаются и образуют чёрные дыры звёздной массы. Известно, что сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) существуют в центре крупных галактик, таких как Млечный Путь. Также появляется всё больше доказательств существования чёрных дыр средней массы (ЧДСМ), которые занимают промежуточное положение между чёрными дырами меньшей звёздной массы и гигантскими СМЧД.
На этой диаграмме показаны относительные массы сверхплотных космических объектов — от белых карликов до сверхмассивных чёрных дыр, заключённых в ядрах большинства галактик. Первобытные чёрные дыры, если они существуют, располагаются между нейтронными звёздами и звёздными чёрными дырами.
А что же с первичными чёрными дырами (ПЧД)? Если они существуют, то образовались задолго до того, как вспыхнула первая звезда. Согласно теории, они могут быть любого размера и могли сыграть определённую роль в формировании галактик. В борьбе за понимание того, как чёрные дыры становятся такими массивными, ПЧД могут заполнить важный пробел. Есть также дразнящие признаки того, что если они действительно существуют, то могут быть компонентами тёмной материи.
Новое исследование показывает, как космический телескоп NASA Nancy Grace Roman может обнаружить ПЧД. Они могут скрываться среди таинственной популяции маломассивных объектов. Эти объекты могут быть свободно плавающими планетами (СПП), также называемыми планетами-изгоями, или же они могут быть ПЧД, и предстоящий космический телескоп способен их обнаружить.
Статья называется «Rogue worlds meet the dark side: revealing terrestrial-mass primordial black holes with the Nancy Grace Roman Space Telescope». Ведущий автор — Уильям ДеРокко (William DeRocco) с физического факультета Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман станет мощным инфракрасным телескопом, который будет запущен через несколько лет. В его наблюдательном меню будет несколько крупных астрофизических блюд, таких как измерение тёмной энергии, теории относительности и кривизны пространства-времени. Он также будет искать маломассивные объекты, размером не больше Марса, которые не привязаны ни к одной звезде. Это позволит пролить свет на первозданные чёрные дыры.
Чтобы найти эти маломассивные объекты и определить, являются ли они СПП или ПЧД, космическому телескопу Роман нужна помощь. С помощью гравитационного микролинзирования он будет искать в небе эти неуловимые объекты. Они могут быть любого размера — от субатомной частицы до небольшой планеты.
«Гравитационное микролинзирование является одним из самых сильных наблюдательных методов для наблюдения несветящихся астрофизических тел», — пишут авторы в своей статье. «Существующие наблюдения микролинзирования дают многообещаюшие свидетельства существования популяции маломассивных объектов, происхождение которых неизвестно».
Возникает вопрос: являются ли эти загадочные объекты планетами-изгоями? Или это ПЧД?
Иллюстрация планеты-изгоя, тёмной и загадочной.
Проблема, связанная с наблюдением этих объектов, заключается в том, что их невозможно рассмотреть по отдельности. Вместо этого их нужно выявить статистически, а это означает, что необходимо провести масштабное исследование.
«Однако природу этих объектов нельзя определить на основе каждого отдельного события, поскольку индуцированная кривая блеска является вырожденной для линзирующих тел одинаковой массы. Поэтому для определения природы линзирующей популяции необходимо статистически сравнивать распределения событий линзирования», — пишут авторы.
После запланированного на 2027 год запуска космического телескопа Нэнси Роман на его долю выпадет много работы. Одна из основных программ наблюдений направлена непосредственно на эти маломассивные астрофизические объекты. Она называется Galactic Bulge Time Domain Survey.
В основе этой программы лежит плотность звёзд в галактическом балдже. В направлении балджа наблюдается высокая плотность как звёздных линз, так и источников, и телескоп Роман будет многократно исследовать эти плотные области с помощью своего широкоугольного инструмента (WFI).
Это имитация центра нашей Галактики с помощью космического телескопа Римана (поле зрения 1/140 Римана). Телескоп проведёт исследование этого плотно упакованного региона в поисках событий микролинзирования.
Исследовательская группа, подготовившая новую работу, утверждает, что это исследование способно изменить наше представление об этих маломассивных объектах. «В целом, наши результаты показывают, что даже при консервативных предположениях о пороге обнаружения Римана и основном фоне СПП, исследование временного интервала галактического пучка будет очень чувствительным для обнаружения популяции ПЧД в новых областях пространства параметров».
На этом снимке, сделанном космическим телескопом
Таким образом, Роман способен не только провести первые точные измерения массового распределения СПП, но и, возможно, обнаружить субпопуляцию ПЧД, лежащую внутри неё», — заключают авторы.
Два вопроса, определяющих эпоху в современной космической науке, касаются тёмной энергии и тёмной материи. Тёмная энергия — это название силы, которая движет расширением Вселенной. Тёмная материя — это невидимая масса, придающая Вселенной форму и организующая её крупномасштабные структуры, такие как галактики и скопления галактик. Однако мы до сих пор не знаем, что представляет собой тёмная материя.
Первичные чёрные дыры являются одним из ведущих кандидатов на роль тёмной материи. Если ПЧД составляют всю или значительную часть тёмной материи Вселенной, то это объясняет крупномасштабную структуру Вселенной. Они также могут объяснить некоторые явления гравитационного линзирования, которые не могут быть объяснены обычной материей. Доказательства того, что ПЧД являются тёмной материей, далеко не окончательны, но некоторые учёные утверждают, что они составляют всю или часть тёмной материи Вселенной.
«Ожидается, что в ходе исследования галактического балджа будут наблюдаться сотни событий микролинзирования малой массы, что позволит получить надёжную статистическую характеристику этой популяции, — поясняют авторы. Имея в своём распоряжении данные этого исследования, учёные могут реально продвинуться в решении вопроса о тёмной материи и начать раскрывать самые глубокие тайны Вселенной.
Но для этого придётся подождать несколько лет.
