В самые первые мгновения после Большого взрыва плотность материи во Вселенной была настолько колоссальной, что в ней могли сформироваться бесчисленные первичные черные дыры. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд разбирается, могут ли эти реликтовые объекты существовать до сих пор и объяснять загадку темной материи. Анализ современных астрофизических данных показывает, что шансы обнаружить их следы весьма реальны, хотя пространство для потенциальных масс таких дыр стремительно сужается.
🌌 Наследие Большого взрыва: откуда берутся первичные черные дыры 0:00
В современной Вселенной существует лишь один естественный способ получить сверхвысокую плотность массы и энергии, необходимую для запуска гравитационного коллапса по законам общей теории относительности. Этот процесс происходит в ядрах самых массивных звезд, когда они исчерпывают запасы ядерного топлива и умирают. Однако на заре времен ситуация была принципиально иной. Вскоре после Большого взрыва плотность молодой Вселенной была колоссальной повсеместно, напоминая плотность звездного трупа.
Возникает закономерный вопрос: почему в таком случае вся материя космоса мгновенно не превратилась в черные дыры? Мэтт О'Дауд объясняет, что для запуска коллапса одной лишь высокой плотности недостаточно — необходим локальный перепад плотности (градиент), иначе у гравитационного притяжения просто не будет приоритетного направления. Кроме того, силе притяжения нужно было преодолеть стремительное расширение самого пространства.
Материя ранней Вселенной была распределена почти идеально гладко, но ключевое слово здесь — «почти». Картину распределения вещества позволяет увидеть реликтовое излучение (космический микроволновый фон), возникший примерно через 400 000 лет после Большого взрыва. Оно демонстрирует крошечные флуктуации плотности. Хотя этих флуктуаций хватило для запуска формирования галактик, их было недостаточно для немедленного коллапса в черные дыры.
Однако если мы виртуально отмотаем время еще дальше назад, то флуктуации окажутся гораздо сильнее. По мнению физиков-теоретиков, они зародились в эпоху, когда вся наблюдаемая Вселенная была меньше одного атома, и представляли собой квантовый шум. Согласно ряду теоретических моделей, в процессе космической инфляции некоторые из этих неоднородностей могли стать достаточно интенсивными, чтобы сопротивляться расширению космоса и породить первичные черные дыры. Мэтт О'Дауд также упоминает еще несколько весьма спекулятивных сценариев их происхождения:
- Коллапс замкнутых космических струн.
- Столкновения пузырьковых вселенных.
🔍 В поисках космических невидимок: ограничения по массе 3:36
Различные теоретические модели предсказывают колоссальный диапазон возможных масс первичных черных дыр (или PBH, как их называют в профессиональной среде) — от долей грамма до десятков тысяч масс Солнца. Ведущий подчеркивает, что их обнаружение и точное измерение массы предоставили бы ученым бесценные данные о самых первых мгновениях существования нашего мира.
Поиски реликтовых черных дыр в современной Вселенной наталкиваются на серьезные ограничения. Во-первых, астрофизики гарантированно не смогут найти объекты легче одного миллиарда тонн (что сопоставимо с массой небольшого астероида). Согласно теории квантового испарения черных дыр, разработанной Свивеном Хокингом, объекты меньшей массы к текущему моменту уже полностью испарились бы за счет излучения Хокинга.
Более крупные черные дыры должны были дожить до наших дней, но обнаружить их крайне трудно, поскольку они абсолютно темные. Если такие объекты редки, подтвердить или опровергнуть их существование в обозримом будущем может оказаться невозможным.
🕶️ Могут ли первичные черные дыры быть темной материей? 4:42
Ученые могут с высокой долей уверенности ответить на другой фундаментальный вопрос: способны ли первичные черные дыры объяснить загадку темной материи, на которую приходится около 80% массы Вселенной? По словам Мэтта О'Дауда, гипотеза о том, что большая часть космоса заполнена бесчисленными роями черных дыр, звучит пугающе. Если бы это было так, эти «узелки» искривленного пространства-времени должны были оставлять заметные следы.
Присутствие огромного количества черных дыр приводило бы к постоянному эффекту гравитационного микролинзирования — кратковременному искажению и усилению света от далеких источников при прохождении дыры перед ними. В зависимости от массы дыр, астрономы наблюдали бы мерцание звезд в нашей галактике, далеких квазаров или гамма-всплесков. Однако масштабных свидетельств такого мерцания не зафиксировано, что сразу исключает огромный пласт потенциальных масс.
Кроме того, блуждающие по галактике массивные черные дыры неизбежно разрушали бы своим гравитационным полем слабосвязанные двойные звездные системы и меняли структуру звездных скоплений. Будь они совсем маленькими, они бы падали внутрь нейтронных звезд, провоцируя их взрывы. Но астрономы наблюдают стабильные звездные скопления и множество здоровых нейтронных звезд.
В результате этих контраргументов ученые исключили почти все варианты. На сегодняшний день у гипотезы «черные дыры — это темная материя» остались лишь два узких окна масс:
- Огромное количество объектов с массой крупного астероида (например, Цереры), то есть в районе $10^{21}$ килограммов.
- Относительно небольшое число очень тяжелых черных дыр с массой от 20 до 100 масс Солнца.
Второй сценарий вызывает серьезные споры в научной среде. Часть исследователей полагает, что активное поглощение вещества столь крупными реликтовыми объектами оставило бы неизгламый след на картине реликтового излучения. В то же время их оппоненты апеллируют к недавним открытиям гравитационного детектора LIGO, который зафиксировал слияние черных дыр с массами около 30 солнечных, что может служить косвенным аргументом в пользу этой теории. Мэтт О'Дауд резюмирует, что благодаря новым оптическим телескопам и детекторам гравитационных волн эти окна стремительно закрываются, и вскоре гипотеза темной материи из PBH будет либо подтверждена, либо окончательно опровергнута.
☄️ Взрывы и визиты: что будет, если черная дыра прилетит к нам? 7:36
Объекты, которые уступали в массе одному миллиарду тонн, уже испарились, но сам финальный этап испарения Хокинга происходит взрывообразно и очень быстро. Мэтт О'Дауд отмечает допущение, что некоторые типы коротких гамма-всплесков, фиксируемых нашими приборами, могут быть предсмертными вспышками древних черных дыр прямо в нашей галактике.
Что произойдет, если первичная черная дыра залетит в Солнечную систему? Последствия зависят исключительно от ее массы:
- Масса порядка солнечной или выше: Далекий пролет исказит орбиты планет, а прохождение по окраинам системы растревожит Облако Оорта, вызвав катастрофический кометный дождь во внутренней Солнечной системе.
- Масса крупного астероида: Из-за слишком высокой скорости и малой массы объект пролетит сквозь Солнечную систему абсолютно незамеченным. Если такая дыра столкнется с Землей на скорости в пару сотен километров в секунду, она прошьет планету насквозь, оставив после себя лишь тончайший цилиндр из испаренной породы.
- Минимальная выжившая масса (около 1 миллиарда тонн): Горизонт событий такой черной дыры сопоставим с размерами протона. Она пройдет сквозь Землю, словно та сделана из воздуха. Однако за время своего транзита она успеет выделить около одного миллиарда джоулей энергии в виде излучения Хокинга. Подобный энергетический след должен оставлять детектируемые дефекты в кристаллических структурах земной коры, поэтому Мэтт О'Дауд иронично предполагает, что первыми первооткрывателями первичных черных дыр могут стать обычные геологи.
🌊 Интерактивный блок: океаны Европы, жидкий метан и лингвистические споры 10:59
В традиционной рубрике ответов на комментарии к прошлому выпуску (посвященному подледному океану спутника Юпитера Европы) Мэтт О'Дауд разобрал несколько интересных вопросов от аудитории.
Зритель с ником Paramouth поинтересовался методами предотвращения биологического загрязнения между Землей и Европой. Ведущий согласился, что это требует беспрецедентных мер стерилизации космических аппаратов, но добавил: если мы найдем там жизнь, она, скорее всего, будет настолько фундаментально отличаться от земной, что путаницы из-за гипотетического загрязнения не возникнет.
Пользователь Turkan Fred выразил опасения по поводу чудовищного давления на дне стокилометрового океана Европы. О'Дауд успокоил зрителя, напомнив, что поверхностная гравитация Европы составляет всего 13,5% от земной. Из-за этого даже на глубине 100 километров давление окажется всего на 20% выше, чем в самой глубокой точке земных океанов — Марианской впадине. А там, как доказало погружение режиссера Джеймса Кэмерона, жизнь вполне успешно существует.
Комментируя вопросы о том, почему наука зациклена на поиске именно водяной жизни и игнорирует метановые озера Титана, ведущий подчеркнул уникальность физико-химических свойств воды. Вода — идеальный растворитель и ярко выраженный диполь, что обеспечивает поверхностное натяжение, капиллярный эффект и водородные связи. Кроме того, она обладает высочайшей удельной теплоемкостью, стабилизирующей климат и организмы. Жидкий метан не обладает ни одним из этих преимуществ.
В завершение выпуска Мэтт О'Дауд с юмором ответил на критику филологов по поводу использованного им множественного числа слова «осьминог» (он сказал octopi вместо octopuses). Признав, что применил латинское окончание к слову греческого происхождения, он иронично добавил: когда полчища осьминогов восстанут из глубин, чтобы поприветствовать пришествие Ктулху, эти грамматические споры покажутся всем нам крайне незначительными.
