Как черные дыры разгоняют темную материю и почему ее можно поймать уже сейчас

Самые чувствительные детекторы темной материи на планете годами молчат. Многотонные резервуары с жидким ксеноном, упрятанные под километровыми толщами горных пород — американский LUX-ZEPLIN в заброшенной золотой шахте Южной Дакоты и китайский PandaX-4T в недрах сычуаньского массива, — не зафиксировали ни одного достоверного события. Но это молчание, как выясняется, может объясняться не отсутствием невидимой субстанции, а слепотой самих приборов к определенному классу частиц.

Двое физиков-теоретиков — Хавьер Асеведо из канадского национального исследовательского центра TRIUMF и Адам Ритц из Университета Виктории — предложили объяснение, которое переворачивает привычную картину. Их расчеты показывают: двойные черные дыры в нашей Галактике работают как естественные ускорители частиц темной материи, разгоняя их до скоростей, при которых существующие детекторы обретают способность регистрировать частицы значительно меньшей массы, чем предполагалось ранее. Причем без единого изменения в конструкции приборов.

Корень проблемы — в механике упругого соударения. Жидкоксеноновый детектор ловит темную материю по энергии отдачи: частица врезается в ядро ксенона, ядро смещается, ионизирует соседей, вспыхивает свет. Но законы сохранения импульса безжалостны к легким частицам. Ядро ксенона-131 содержит 131 нуклон — это около 122 гигаэлектронвольт в энергетическом эквиваленте. Если налетающая частица легче одного гигаэлектронвольта, то есть легче протона, она почти не передает энергию тяжелой мишени: весь импульс уносит сама отскочившая частица, а ядро едва шевелится. При стандартных скоростях галактического гало — 200–300 километров в секунду — выделившаяся энергия падает ниже порога чувствительности аппаратуры в половину килоэлектронвольта, и сигнал тонет в шумах.

Прежние гипотезы о разгоне темной материи опирались на недоказанные допущения: взаимодействие с космическими лучами, солнечной плазмой, ударными волнами сверхновых. Все они требовали, чтобы темная материя обладала некими силами, кроме гравитации, — а подтверждений этому нет. Асеведо и Ритц пошли другим путем. Их механизм работает исключительно на гравитации, универсальной для любой материи.

Суть — в орбитальном гравитационном маневре в системе трех тел. Два массивных объекта — компоненты тесной двойной системы, третье — пренебрежимо легкая частица темной материи. Пролетая мимо движущегося массивного тела, частица огибает его по гиперболе и в системе отсчета самого тела не приобретает ничего. Но тело обращается вокруг общего центра масс, и при переходе в систему неподвижного наблюдателя скорости складываются. Если частица входит навстречу орбитальному движению и траектория разворачивается в противоположную сторону, прирост скорости достигает удвоенной орбитальной скорости гравитирующего объекта. Энергия заимствуется у космического тела, но из-за колоссальной разницы масс потеря орбитальной энергии двойной системой ничтожна.

Численное моделирование орбит миллионов частиц показало, что большинство двойных звезд для этой роли бесполезны. Обычные звезды слишком велики: частица либо врезается в их вещество, либо приливные силы не дают паре сблизиться на нужное расстояние. Белые карлики и нейтронные звезды компактны, но их масса ограничена — предел Чандрасекара в 1,4 солнечной массы для первых и примерно две солнечные для вторых. Гравитационный охват мал, поток ускоренных частиц недостаточен.

Идеальный ускоритель — двойная черная дыра звездной массы. Она массивна: типичные весят от 10 до 30 солнечных масс. У нее нет физической поверхности: горизонт событий черной дыры в 14 солнечных масс имеет радиус всего около 41 километра, и частица может пройти в сотнях километров от центра, испытав сильнейшее ускорение, но не столкнувшись с преградой. И такие пары способны сближаться на доли астрономической единицы, совершая оборот за дни или недели — орбитальные скорости достигают сотен километров в секунду. Расчеты дают выброс частиц со скоростями от 2000 до 2200 километров в секунду — вчетверо выше максимальной скорости удерживания вещества галактическим гало.

Исследователи рассчитали, откуда именно приходит этот поток к Земле, опираясь на космологические модели формирования Млечного Пути и каталоги распределения черных дыр комплекса FIRE.

• В окрестностях Солнечной системы, в пределах одного килопарсека, находится порядка 600 пар черных дыр, треть из них с подходящими орбитами. Они создают изотропный фоновый поток со всех направлений небесной сферы.
• Галактический балдж — центральное утолщение Млечного Пути — содержит около 750 тысяч двойных черных дыр в пределах килопарсека от центра. Оттуда идет направленный поток со стороны созвездия Стрельца.
• Окрестности сверхмассивной черной дыры Стрелец А* с массой 4,3 миллиона солнечных — самые экстремальные условия. Черная дыра в 50 солнечных масс на орбите радиусом 162 астрономические единицы движется со скоростью 4850 километров в секунду. Частицы, падая в глубокий гравитационный колодец, разгоняются почти до 7000 километров в секунду, а после двойного маневра выбрасываются со скоростью до 8300 километров в секунду — почти 2,8% от скорости света.

Рост скорости меняет физику взаимодействия радикально: кинетическая энергия зависит от скорости квадратично. Четырехкратное увеличение скорости — шестнадцатикратный рост энергии удара, десятикратное — стократный. Граница чувствительности ксеноновых детекторов по массе частиц сдвигается с 3–5 гигаэлектронвольт вниз до 0,5–0,6 гигаэлектронвольта для потока из балджа. Для спин-зависимых взаимодействий с нейтронами предел PandaX-4T опускается до 1,2 гигаэлектронвольта.

Особенно сильный эффект — в проверке моделей неупругой темной материи, где частица при столкновении переходит в возбужденное состояние с большей массой. Разница масс — квантовый барьер, который нужно преодолеть. При стандартных скоростях частица в тысячу гигаэлектронвольт не может инициировать переход, если разница превышает 384 килоэлектронвольта. Поток от черных дыр балджа расширяет этот предел до 800–900 килоэлектронвольт, а от окрестностей Стрельца А* — до нескольких мегаэлектронвольт.

Главный практический вывод: ждать новых криогенных установок, проектирование и строительство которых занимает десятилетия, не нужно. Поток разогнанной темной материи бомбардирует Землю непрерывно. Достаточно заново проанализировать архивы первичных измерений LUX-ZEPLIN и PandaX-4T с обнов