Странный сигнал LIGO может указать на связь между черными дырами и темной материей

Необычный сигнал гравитационных волн, зафиксированный обсерваторией LIGO, вновь привлек внимание ученых к одной из самых загадочных гипотез современной астрофизики — существованию первичных черных дыр. Если такая интерпретация подтвердится, эти объекты могут оказаться недостающим звеном в объяснении природы темной материи. Первичные черные дыры — это гипотетические объекты, которые могли возникнуть в самые первые мгновения после Большого взрыва, еще до появления звезд и галактик.

В отличие от обычных черных дыр, которые формируются после коллапса массивных звезд, первичные черные дыры могли родиться из экстремально плотных участков ранней Вселенной. Их размеры, по предположениям ученых, могли сильно различаться — от объектов с массой астероида до гораздо более массивных тел. До сих пор существование первичных черных дыр не было подтверждено напрямую. Однако интерес к ним остается высоким, потому что они могут помочь объяснить одну из главных загадок космоса — темную материю. Эта невидимая форма материи не испускает света, но проявляет себя через гравитационное воздействие.

Считается, что темная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной и играет ключевую роль в удержании галактик и формировании крупномасштабной структуры космоса. Новый интерес к этой теме связан с работой исследователей из Университета Майами. Доцент кафедры физики Нико Каппеллути и аспирант Альберто Магараджиа проанализировали необычный сигнал, о котором сообщила гравитационно-волновая обсерватория LIGO. По их мнению, этот сигнал может быть связан с объектом, который трудно объяснить обычными астрофизическими механизмами. LIGO регистрирует гравитационные волны — слабые «рябь» пространства-времени, возникающие во время самых мощных событий во Вселенной, например при столкновении черных дыр или нейтронных звезд.

Большинство известных черных дыр образуются после взрыва массивных звезд сверхновыми. Их массы обычно составляют от нескольких солнечных масс до миллиардов масс Солнца. Однако в ноябре LIGO выпустила автоматическое предупреждение о событии слияния, в котором как минимум один из объектов, судя по данным, имел массу меньше массы Солнца. Именно эта деталь сделала сигнал особенно интересным. Черную дыру с массой меньше солнечной крайне сложно объяснить стандартной эволюцией звезд.

Звезды, которые способны превратиться в черные дыры, обычно оставляют после себя значительно более массивные объекты. Поэтому субсолнечная черная дыра может быть возможным кандидатом в первичные черные дыры. Впрочем, не все специалисты согласны с такой трактовкой. Некоторые астрофизики считают, что сигнал мог быть не реальным космическим событием, а шумом в чрезвычайно чувствительных детекторах LIGO. Такие приборы улавливают невероятно слабые колебания, поэтому вопрос надежности необычных сигналов всегда требует особой проверки. Каппеллути и Магараджиа считают, что обнаруженный объект лучше всего объясняется именно как первичная черная дыра, возникшая в плотной ранней Вселенной задолго до появления первых звезд.

Чтобы проверить эту идею, они попытались оценить, сколько таких объектов может существовать в космосе и как часто LIGO могла бы их регистрировать. По словам исследователей, их расчеты оказались обнадеживающими. Они предполагают, что субсолнечные черные дыры действительно должны быть редкими, что согласуется с тем, насколько редко подобные события до сих пор наблюдались. Результаты работы были опубликованы в *The Astrophysical Journal*. Авторы исследования утверждают, что у странного сигнала LIGO нет убедительного стандартного астрофизического объяснения, а наиболее вероятным вариантом может быть обнаружение первичной черной дыры.

Более того, если такие объекты действительно существуют в достаточном количестве, они могут составлять значительную часть темной материи — а возможно, даже объяснять ее полностью. Тем не менее ученые подчеркивают: одного сигнала недостаточно для окончательного вывода. Для подтверждения гипотезы необходимы новые наблюдения. Если LIGO и другие гравитационно-волновые детекторы зафиксируют еще несколько похожих событий, это станет гораздо более сильным аргументом в пользу реальности первичных черных дыр. Идея первичных черных дыр появилась не вчера.

Еще в эпоху холодной войны советские ученые Яков Зельдович и Игорь Новиков предположили, что такие объекты могли возникнуть в ранней Вселенной. В начале 1970-х годов Стивен Хокинг развил эту концепцию, показав, что первичные черные дыры могут быть многочисленными, излучать частицы и потенциально иметь отношение к темной материи. Долгое время эта гипотеза оставалась почти исключительно теоретической. Ситуация изменилась с появлением гравитационно-волновой астрономии. 14 сентября 2015 года LIGO впервые в истории зарегистрировала гравитационные волны, подтвердив одно из ключевых предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна и открыв новый способ изучения Вселенной. Сегодня LIGO включает две обсерватории в США — в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Вместе с европейским детектором Virgo в Италии и японской подземной обсерваторией KAGRA они входят в международную коллаборацию LVK. Эти инструменты ищут следы столкновений черных дыр и других компактных объектов, позволяя изучать процессы, которые невозможно увидеть обычными телескопами.

Планируемые модернизации сделают LIGO еще более чувствительной и увеличат шансы на обнаружение новых кандидатов в первичные черные дыры. Однако нынешние детекторы LIGO, с двумя L-образными установками и вакуумными рукавами длиной около 4 километров, лучше подходят для регистрации высокочастотных гравитационных волн от относительно недавних космических столкновений, а не волн, возникших непосредственно после Большого взрыва. В будущем ученые рассчитывают заглянуть еще дальше в прошлое Вселенной. Европейское космическое агентство планирует запустить космическую обсерваторию LISA в 2035 году. Она должна регистрировать гравитационные волны из более ранних эпох после Большого взрыва.

Еще один проект, Cosmic Explorer, разрабатывается в США и должен быть примерно в 10 раз чувствительнее LIGO. Это позволит обнаруживать слияния черных дыр и нейтронных звезд на гораздо больших расстояниях, вплоть до времен формирования первых звезд. Если первичные черные дыры действительно будут подтверждены, это станет одним из крупнейших открытий современной астрофизики. Оно не только докажет существование объектов, предсказанных десятилетия назад, но и может приблизить ученых к разгадке природы темной материи — вещества, которое формирует невидимый каркас Вселенной.

• У черных дыр могут рождаться миллионы планет
• SpaceX вывела на орбиту еще 24 спутника Starlink
• Учёные хотят отправить на Марс робота-шар с «дронами-одуванчиками» для исследования скрытых тоннелей
• Учёные решили сложную задачу для миссий к астероидам: космические аппараты смогут эффективнее «прыгать» от объекта к объекту
• Спутниковые мегасозвездия могут стать «нерегулируемым геоинженерным экспериментом»
• Учёные обнаружили гигантскую вращающуюся структуру во Вселенной: космическую нить длиной 50 миллионов световых лет
• Галерея «обломочных дисков» раскрывает следы астероидов и комет в далёких планетных системах
• Российского космонавта сняли с миссии SpaceX Crew-12 за нарушение правил нацбезопасности США — СМИ