Темная материя – это «бессмертные» черные дыры из зари времен? Почему первичные черные дыры снова главные кандидаты в темную материю?

Большая часть массы нашей Вселенной остается для нас невидимой и неуловимой. Мы называем ее темной материей, и ее гравитационное влияние мы наблюдаем повсюду — от вращения галактик до крупномасштабной структуры космоса. Но что она такое? десятилетия поисков экзотических частиц, вроде вимпов или аксионов, пока не увенчались успехом. И это заставляет ученых все пристальнее всматриваться в одного из самых загадочных и древних кандидатов — первичные черные дыры (ПЧД). Новая работа японских исследователей предлагает не только переосмыслить их возможную роль, но и указывает, как мы могли бы их, наконец, «услышать».

Проблема испарения и первые прикидки: тяжеловесы на роль темной материи

Первичные черные дыры — это не те гиганты, что рождаются из коллапса звезд. Эти объекты, как предполагается, возникли в самые первые мгновения после Большого Взрыва из-за колоссальных флуктуаций плотности молодой Вселенной. Эдакие сгустки невероятно сжатой материи, схлопнувшиеся в черные дыры задолго до появления первых звезд.

Долгое время считалось, что если ПЧД и составляют темную материю, то это должны быть довольно массивные объекты. Виной тому — знаменитое излучение Хокинга. Еще в 1975 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры не абсолютно черные: из-за квантовых эффектов у их горизонта событий они медленно «испаряются», теряя массу. Скорость этого испарения обратно пропорциональна массе черной дыры — чем она легче, тем быстрее исчезает. Учитывая возраст Вселенной (около 13,8 миллиарда лет), расчеты показывали: все ПЧД с массой менее примерно триллиона килограммов (это примерно масса небольшой горы) должны были давно испариться. Это, конечно, сужало «окно возможностей» для ПЧД как кандидатов в темную материю.

Эффект «бремени памяти»: когда черная дыра «помнит» себя

Но что, если классические представления об испарении Хокинга не полны? В 2018 году физик-теоретик Гия Двали предложил интригующую концепцию — «эффект бремени памяти» (memory burden effect). Суть ее в том, что информация, поглощенная черной дырой, не исчезает бесследно, а как бы «отягощает» ее, стабилизируя от квантового распада.

Представьте, что черная дыра — это не просто гравитационная ловушка, а сложная система, хранящая информацию о всем, что в нее попало. Эта информационная нагрузка, согласно теории Двали, делает черную дыру более устойчивой к испарению, особенно когда она уже потеряла значительную часть своей первоначальной массы. Подобно тому, как старый сундук, набитый тяжелыми воспоминаниями, труднее сдвинуть с места, так и черная дыра, обремененная информацией, сопротивляется «растворению» во Вселенной.

Это кардинально меняет дело! Если эффект бремени памяти действительно существует, то даже гораздо более легкие ПЧД — массой от сотен до миллионов килограммов — могли бы дожить до наших дней. А это уже совершенно другой класс объектов, который ранее почти исключался из рассмотрения в качестве темной материи. Получается, мы могли искать не там, или, вернее, не то.

Поймать невидимку: гравитационные волны как детектор

И вот здесь на сцену выходят японские исследователи во главе с Казунори Кори. Их работа, опубликованная в Physical Review D, предлагает остроумный способ проверить гипотезу о «помнящих» ПЧД. Если такие объекты действительно существуют и составляют значительную часть темной материи, то их рождение в ранней Вселенной не могло пройти бесследно.

Механизм формирования ПЧД — гравитационный коллапс областей с экстремально высокой кривизной пространства-времени — неизбежно должен был породить мощные гравитационные волны. Это своего рода рябь самой ткани пространства-времени, которая, раз возникнув, распространяется по Вселенной практически беспрепятственно. Важно, что существует прямая связь между массой формирующейся ПЧД и характерной частотой испускаемых при этом гравитационных волн.

Японская команда рассчитала, какими должны быть спектры этих реликтовых гравитационных волн сегодня, если ПЧД с учетом эффекта бремени памяти действительно являются темной материей. Оказалось, что такие объекты должны были индуцировать гравитационные волны в относительно низкочастотном диапазоне, который, хоть и труден для нынешних детекторов вроде LIGO (способных улавливать волны с пиком около 10 килогерц), но может быть доступен для обсерваторий следующего поколения.

Инструменты будущего: заглянуть в колыбель Вселенной

На какие же «уши» Вселенной рассчитывают ученые? Речь идет о таких амбициозных проектах, как:

• LISA (Laser Interferometer Space Antenna): Космический интерферометр, состоящий из трех спутников, который будет чувствителен к очень низким частотам гравитационных волн.
• DECIGO (Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory): Японский проект, также нацеленный на децигерцовый диапазон.
• BBO (Big Bang Observatory): Предложение Европейского космического агентства, которое может прийти на смену LISA.
• Cosmic Explorer: Наземная обсерватория третьего поколения, которая будет представлять собой увеличенную версию LIGO с длиной плеч интерферометра в 40 км (против 4 км у LIGO). Она сможет «услышать» и более высокие частоты, вплоть до мегагерцового диапазона, где, согласно расчетам, также может лежать след от ПЧД.

Исследователи не просто предсказали спектры, но и рассчитали ожидаемое отношение сигнал/шум для годичных наблюдений этими будущими инструментами. Это дает конкретные ориентиры для экспериментаторов: если сигнал будет обнаружен в предсказанном диапазоне и с ожидаемой интенсивностью, это станет сильнейшим аргументом в пользу ПЧД как темной материи. Если же нет — гипотезу придется серьезно пересматривать.

Почему это так важно? От «кошмарного сценария» к прорыву

Успех этой затеи может иметь колоссальное значение. Как отмечают сами авторы, если поиски частиц темной материи так и не дадут результатов, физика столкнется с «кошмарным сценарием» — ситуацией, когда темная материя взаимодействует с обычной материей только гравитационно, делая ее прямое детектирование практически невозможным. Сценарий с ПЧД, особенно с учетом эффекта бремени памяти, предлагает элегантный выход из этого тупика.

Обнаружение гравитационных волн от формирования ПЧД не только подтвердит их существование и роль в качестве темной материи, но и откроет уникальное окно в самые ранние эпохи Вселенной, когда условия были настолько экстремальны, что их невозможно воспроизвести ни в одной лаборатории на Земле. Это будет триумф не только космологии и астрофизики, но и фундаментальной физики, проверяющей наши представления о гравитации и квантовой механике в их самых крайних проявлениях.

Конечно, путь к разгадке будет непростым. Нелинейная динамика ПЧД, подверженных эффекту бремени памяти, еще требует детального изучения, чтобы точно предсказать форму гравитационно-волнового сигнала. Но сама возможность «услышать» эхо рождения Вселенной и, возможно, разгадать одну из ее величайших тайн — это перспектива, которая вдохновляет и заставляет с нетерпением ждать запуска новых гравитационно-волновых телескопов. А вдруг неуловимые призраки раннего космоса вот-вот материализуются в данных наших приборов? Время покажет.