Первичные черные дыры — отголоски древней Вселенной [Fraser Cain]
Вот свои цвет шаурмой макс. [Музыка] В одном из выпусков я говорил, что есть тема, которую очень бы хотелось обсудить, потому что она необычайно интересно, и касается она идеи, озвученные еще в 1974 году, о существовании первичных черных дыр, которые сформировались на заре нашей вселенной и, возможно, до сих пор существуют где-то на ее просторах. Так ли это? Мы не знаем, как их найти, и если все подтвердится, то что это значит? Об этом сегодняшний выпуск.
Даже обычные черные дыры — невероятные объекты: материя и энергия находятся в настолько сжатом и плотном состоянии, что выбраться нельзя, даже двигаясь со скоростью света. Пространство и время настолько искривлены, что любой путь прочь от черной дыры, как бы отчаянно вы не пытались сбежать, ведет в сингулярность. Ученые вполне уверены, что существуют черные дыры звездных масс и сверхмассивные черные дыры. Мы примерно представляем, как они образуются, но вероятно, есть еще один вид — до сих пор никто не видел даже косвенных признаков их существования. Они могли бы пролить свет на некоторые загадки вселенной, например, на природу темной материи — это первичные черные дыры.
Чтобы получить черную дыру звездной массы, надо взять звезду с массой, гораздо больше Солнца, и подождать, пока у нее выгорит все термоядерное топливо. В течение жизни звезды синтезируются атомы с большим числом протонов от легких элементов к тяжелым в отчаянной попытке остановить беспощадную силу гравитации. Но когда наступает очередь железа, ядерный синтез перестает вырабатывать энергию, и весь процесс затухает. Звезда коллапсирует, ее внешние слои проваливаются внутрь с релятивистской скоростью. За несколько мгновений вся эта масса оказывается в столь малом пространстве, что ничего, даже энергия самого взрыва, не может оттуда вернуться. Черная дыра готова.
Как образуется сверхмассивная черная дыра, до сих пор не совсем понятно. Их масса в миллионы и даже миллиарды раз больше Солнца, и находятся они в центре множества обнаруженных нами галактик. Может быть, они образуются, когда черные дыры звездных масс сливаются друг с другом и поглощают все на своем пути, пока не станут миллиарды раз тяжелее Солнца. Возможно, сверхмассивные черные дыры образуются в результате катастрофического события, например, когда газовое облако коллапсирует в гигантскую черную дыру, минуя промежуточные этапы, вроде рождения и смерти звезд.
Как бы там ни было, мы встречали во вселенной оба вида черных дыр, а ученые, опираясь на доказательную базу, создали модель, объясняющую их возникновение. Математика говорит нам, что теоретически черная дыра может быть любой массы, ведь главное — это насколько плотно сжата материя. У черной дыры массы в 10 раз больше Солнца диаметр горизонта будет пятьдесят девять километров. Если Солнце превратится в черную дыру, не бойтесь: этого не случится, диаметр составит всего около шести километров.
Из нашей родной Земли получилась бы черная дыра размером 18 миллиметров; диаметр горизонта событий горы Эверест будет всего 1 нанометр. Допустим, математика права — неужели существование маленьких черных дыр и вправду возможно? Да, вполне. Эту идею высказал еще физик Стивен Хокинг в 1974 году. Он предположил, что в первые моменты существования вся вселенная была чем-то похожа на черную дыру. Материя и энергия были сжаты до немыслимо плотного состояния благодаря практически равномерному распределению этой материи. Превращение в одну большую черную дыру нашей вселенной удалось избежать, но это уже тема для отдельного ролика.
Но судя по разнице температур реликтового излучения в ранней вселенной, все-таки попадались области с большей и меньшей плотностью. Возможно, из-за этой разницы плотностей появилось место, где могли возникнуть менее массивные черные дыры — черная дыра разных размеров, от нескольких сжатых в кучку атомов до черных дыр более серьезных габаритов, которые, возможно, положили начало еще более массивным черным дырам, которые мы наблюдаем сегодня.
Вероятно, мы не можем засечь первичные черные дыры просто потому, что они свободно болтаются во вселенной, бродят себе в пространстве, своей гравитацией сбивают с толку звездные системы и галактики, а их огромная масса взаимодействует с окружающей материей лишь посредством гравитации. Ничего не напоминает сгустки массы, плавающие во вселенной, почти не взаимодействующие ни с чем. Не темные ли это куски материи? Доля обычной материи во вселенной — пять процентов; доля темной — предположительно около 27; и гравитационно последняя превалирует.
До сих пор точно неизвестно, что такое темная материя, но в масштабах галактик и туманностей гравитация ведет себя странно. Ученые предполагают наличие массивных, ни с чем не взаимодействующих частиц. Однако еще одним объяснением происходящего могли бы стать первичные черные дыры. И есть ли какой-то способ однозначно проверить, существуют ли они? Обсудим через минуту.
А пока я хочу поблагодарить Криса Уиллрайта, золотоносца о маге Брайана, а вчера Джейсона Сена, фотографа Дона Графика, Джозефа или и остальных 9002 подписчика за их поддержку. Хотите смотреть наше видео первыми и без рекламы? Станьте частью нашего сообщества на Patreon.
Если первичные черные дыры разбросаны по всей вселенной и являются той самой таинственной темной материей, то как ученым их обнаружить? Чтобы объяснить феномен темной материи, все первичные черные дыры должны иметь массу как астероида или чуть меньше, чем у Луны, или в диапазоне от 1 до 1000 солнечных масс, или всех понемногу. Если тяжелая первичная черная дыра попадет в солнечную систему, мы почувствуем ее гравитационное воздействие, так как все планеты отклонятся от своих орбит. Надеюсь, что этого не произойдет.
Счастье, ученые знают, как искать первичные черные дыры, не по одной, а скопом. Несколько лет назад международная группа астрофизиков попробовала засечь первичные черные дыры. Дело в том, что они ведут себя как гравитационные линзы: когда черная дыра проходит между нами и каким-нибудь далеким объектом, ее гравитация искривляет свет этого объекта подобно линзе.
Ученые внимательно изучили свет из галактики Андромеды, которая находится в двух с половиной миллионов световых лет от нас. С помощью мощного телескопа Subaru, расположенного на Гавайях, ученым удалось сделать 190 последовательных снимков Андромеды. На них попало 90 миллионов звезд, и любая из них потенциально могла подвергнуться эффекту линзирования от черной дыры. Два года обрабатывались данные, отбрасывались посторонние шумы и всевозможные артефакты, не связанные с гравитацией. В конце концов осталась только одна звезда, которая стала ярче, а затем потускнела, что возможно указывает на наличие одной черной дыры. Но чтобы объяснить темную материю, их должно быть гораздо больше.
Еще один способ на эти первичные черные дыры — это поймать момент их исчезновения. Хокинг, помимо того, что первым выдвинул идею этих крошечных черных дыр, также вычислил, что за огромный промежуток времени они медленно испаряются. Чем меньше масса черной дыры, тем сильнее ее излучение и тем быстрее она теряет массу. Исходя из возраста вселенной, черная дыра массой меньше 100 миллиардов килограмм уже успела испариться.
По мере уменьшения массы черной дыры температура возрастает, и в конце концов дыра вспыхивает гамма-излучением и другими частицами и исчезает. Одна из этих частиц — нейтрино. В 2019 году была опубликована работа, согласно которой антарктический нейтринный детектор IceCube теоретически может зарегистрировать нейтрино испаряющейся первичной черной дыры в последнюю тысячу секунд ее жизни. Также можно уловить вспышку гамма-излучения. Есть даже теория, что некоторые вспышки ультракороткого гамма-излучения на самом деле — взрывы первичных черных дыр, и космические иноземные обсерватории могут эти взрывы зафиксировать.
Недавно астрономы закончили анализировать 2700 часов наблюдений телескопа HESS, но никаких событий не обнаружили. Еще первичные черные дыры можно обнаружить через гравитационные волны. В сентябре 2020 года ученые объявили, что засекли две черные дыры, которые столкнулись, образовав одну общую массу в 142 солнечных. Одна из столкнувшихся дыр имела массу 85 солнечных — это очень интересное число. После взрыва звезд в зависимости от их размера остаются черные дыры массой не более 65 солнечных или сразу же гораздо тяжелее 120.
Но что за черная дыра массой 85 солнечных? Откуда она могла взяться? Конечно, она могла возникнуть в результате какого-то слияния, но также есть вероятность, что это первичная черная дыра. Чем больше столкновений мы зафиксируем, тем больше найдем черных дыр промежуточной массы, и тогда ученые смогут сказать, подходят ли они на роль темной материи.
Еще один способ — это обнаружить гравитационные волны первичных черных дыр, которые испарились в начале существования вселенной, еще до того, как появились водород и гелий. Первичные гравитационные волны от первичных черных дыр — есть предположение, что таинственная девятая планета — это на самом деле первичная черная дыра размером с грейпфрут и в 5-10 раз тяжелее Земли. Это бы прекрасно объяснило, почему такую большую планету до сих пор не нашли во внешней солнечной системе. Правда, это самое маловероятное объяснение феномена девятой планеты, но группа ученых во главе с доктором И. Вилоят придумала, как ее обнаружить.
Теоретически вокруг этой маленькой черной дыры должен быть маленький аккреционный диск из материи, которую дыра поглощает. В поясе Койпера этот диск будет нагревать и плавить фигни ледяные объекты. По идее, строящаяся обсерватория имени Веры Рубенс может зафиксировать вспышки от этих ледяных тел. Пока первичные черные дыры всего лишь гипотеза, хотя в архиве научных статей по запросу "первичные черные дыры" выйдет 1525 работ. В этом видео я ссылался лишь на часть из них. Многие астрономы считают, что первичные черные дыры смогут объяснить тайну темной материи. Что же, когда их найдут, тогда и узнаем. Не волнуйтесь, я вам обязательно сообщу.
Переведено и озвучено студией Вверх Гайдар.