Тёмную материю объяснили чёрными дырами

Астрофизик Александр Кашлинский из Центра космических полётов имени Годдарда (одна из исследовательских лабораторий NASA) выдвинул предположение, что так называемая тёмная материя, объясняющая ускоренное вращение внешних частей галактических дисков, на самом деле не состоит из неоткрытых экзотических частиц. Согласно его гипотезе, ненаблюдаемая астрономами, но действующая на галактики гравитационно "скрытая материя" — это первичные чёрные дыры, возникшие сразу после Большого взрыва и сконцентрированные на периферии всех существующих галактик. Соответствующая статья опубликована в The Astrophysical Journal Letters.

Исследователь опирается на февральское открытие гравитационных волн с помощью детекторов LIGO. Тогда было зарегистрировано слияние двух чёрных дыр, каждая из которых была примерно в 30 раз массивнее Солнца. Хотя слияние случилось всего лишь 1,3 миллиарда лет тому назад (именно столько гравитационная волна шла от места события до земных детекторов), Кашлинский предполагает, что сходные объекты вполне могли существовать и намного раньше — почти с самого момента образования Вселенной. Ряд вычислений других учёных даёт основания полагать, что почти сразу после Большого взрыва образовалось огромное количество первичных чёрных дыр. Предположительно, они являются чрезвычайно небольшими, с массой порядка астероида. Кашлинский полагает, что множество таких объектов лучше подходит на роль тёмной материи, чем гипотетические экзотические частицы-"вимпы".

Александр Кашлинский отмечает, что первичные чёрные дыры, как и тёмная материя, взаимодействуют с окружающими их телами лишь гравитационно, при этом они практически ничего не излучают, из-за чего их чрезвычайно трудно обнаружить. В то же время, в отличие от гипотетических "вимпов", предположение о чёрных дырах не требует "новой физики", поскольку развитие и эволюция этих космических объектов на данный момент в значительной степени ясны. И если "вимпы", несмотря на поиски в ведущих мировых лабораториях, выявить пока не удалось, то чёрные дыры умеренных масс благодаря гравитационным волнам и LIGO мы можем выявить на расстояниях в миллиарды световых лет.

Автор новой работы отмечает, что первичные чёрные дыры могут объяснить и ряд других явлений, прежде бывших загадочными. Так, фоновое инфракрасное и рентгеновское излучение, улавливаемое земными астрономами со всех сторон, но не исходящее от какого-то конкретного источника, является не равномерным, а сильно анизотропным (неоднородным). Какие-то хаотичные "пятна" на нём довольно трудно объяснить и в то же время невозможно игнорировать. Особую сложность проблеме придаёт то, что источников рентгеновского излучения в ранней Вселенной, откуда идёт фоновый свет, в теории было очень мало — по сути, ими могли быть только чёрные дыры. Если такое излучение неоднородно, значит, первичных чёрных дыр в ту пору было уже весьма много.

Другой удачной особенностью гипотезы Кашлинского является то, что если первичные чёрные дыры действительно так распространены, что составляют основную часть тёмной материи, то это естественным образом объясняло бы необычайно быстрое формирование галактик в ранней Вселенной. Из наблюдений последних лет стало понятно, что полноценные галактики появились через считанные сотни миллионов лет после Большого взрыва. На первый взгляд, этого не могло произойти, потому что ещё 500 миллионов лет после этого события газ в космосе был чересчур горяч, чтобы создать облака, достаточно плотные для формирования первых звёзд. Но если исходить из предположения Кашлинского, то всё встаёт на свои места. Первичные чёрные дыры весьма массивны и должны были быстро "сбиваться в толпы", образуя крупные скопления.

Учёный называет такие образования "мини-гало" и отмечает, что, в отличие от обычного газа, мини-гало уже в ранней Вселенной не рассеивались световым давлением (чёрные дыры взаимодействуют с обычной материей в основном лишь гравитационно). Поэтому они быстро стали "скелетом" для формирования крупных газовых облаков. Притянутый мини-гало газ формировал плотные скопления, которые коллапсировали и превращались в звёзды. Вскоре внутри каждого мини-гало уже сформировалась своя собственная галактика. Если Кашлинский прав, наш Млечный путь также окружён мини-гало из первичных чёрных дыр, и именно их тяготение заставляет ускоренно вращаться вокруг центра Млечного Пути звёзды, находящиеся на краю галактического диска.

Астрофизик отмечает, что уже в ближайшие годы гравитационные детекторы, подобные LIGO и его аналогам, смогут ответить на вопрос о корректности построенной им теории. Если детекторы обнаружат слияния маломассивных чёрных дыр в первые миллиарды лет после Большого взрыва, это будет косвенным подтверждением существования первичных чёрных дыр. По частоте таких явлений можно будет составить представление о распространённости подобных объектов и их доле в тёмной материи.