Рожденные в начале времен: первичные черные дыры

 

В ФИАНе прошла лекция профессора Лондонского университета Королевы Мэри (Queen Mary University of London) Бернарда Дж. Карра.

Профессор занимается изучением первичных черных дыр уже более пятидесяти лет; на этой лекции он рассказал слушателям о том, чем первичные черные дыры отличаются от обыкновенных, зачем астрофизики занимаются их поиском, и как они могут быть связаны с темной материей. 

Первичные черные дыры – гипотетические космические объекты, которые могли образоваться на ранней стадии эволюции Вселенной, в эпоху доминирования излучения над веществом, называемой Горячей Вселенной. В этот момент давление и температура Вселенной были крайне высокими, поэтому первичные черные дыры могли иметь как очень большие, так и очень маленькие массы, в то время как обычные черные дыры, образующиеся в результате коллапса звезд, имеют массы больше или порядка 10 масс Солнца.

 

Профессор Карр, рассказывая о том, как могли образоваться первичные черные дыры, отметил, что самая популярная гипотеза их происхождения – флуктуации гравитационного потенциала большой амплитуды, родившиеся на этапе инфляции Вселенной – быстрого экспоненциального расширения, вероятно, происходившего в самом начале Большого Взрыва.

Впоследствии, на этапе Горячей Вселенной, эти флуктуации гравитационного потенциала превратились в возмущения плотности вещества. Результатом этих возмущений стало, например, возникновение галактик, их крупномасштабной структуры и т. д. Подобный механизм мог привести и к появлению черных дыр в некоторый инфляционных моделях. Изучая первичные черные дыры, астрофизики могут узнать многое о физических условиях в Ранней Вселенной, в частности, о самом процессе инфляции.

     Ученые разделяют первичные черные дыры на несколько видов в зависимости от их массы. Объекты   с массой меньше миллиарда тонн были подвержены активному испарению за счет излучения Хокинга,     поэтому сегодня мы не можем их наблюдать, однако их изучение представляет интерес, так как оно   могло повлиять на разные процессы, происходившие во Вселенной ранее. Такие как, например, синтез   легких элементов или спектральные возмущения реликтового излучения.

   Первичные дыры, имеющие массу больше миллиарда тонн, отличаются от черных дыр, образующихся   в результате звездного коллапса только тем, что изначально не вращаются, поэтому они могут быть   обнаружены аналогично: например, при наблюдении гравитационного линзирования – искажения хода световых лучей в гравитационном поле массивных объектов.

 

 Существование первичных черных дыр не доказано до сих пор, однако если они всё же реальны, это поможет решить многие важнейшие космологические проблемы, в частности, проблему темной материи.

 «Физики ищут элементарные частицы, которые могли бы стать кандидатами на роль темной материи, более сорока лет, но пока безрезультатно. В то же время мы можем с уверенностью сказать, что черные дыры существуют», – заметил профессор Карр.

 

 Согласно модели Большого взрыва, плотность барионной материи, в том числе обычных черных дыр, должна быть ниже, чем плотность темной материи. Однако первичные черные дыры образовывались не из тех барионов, которые существуют в настоящее время, а из смеси излучения и вещества, существовавшего в Горячей Вселенной, что делает их перспективными кандидатами на роль темной материи.

 

 Теория первичных черных дыр может быть полезна и при анализе данных, получаемых гравитационно-волновым интерферометром LIGO. Черные дыры, зарегистрированные в ходе измерений, имеют несколько большую массу, чем предполагалось учеными. Одно из предлагаемых объяснений такого расхождения – то, что эти черные дыры могли быть первичными.

Кроме того, существует предположение о том, что первичными могут быть сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах галактик. Традиционно предполагалось, что эти черные дыры образовались уже после формирования галактик, однако некоторые физики считают, что события развивались в обратном порядке. Сверхмассивные первичные черные дыры могли также непосредственно оказывать некоторое влияние на формирование крупномасштабный космологической структуры.

 Прочитанную лекцию профессор Карр посвятил памяти своего наставника Стивена Хокинга – знаменитого астрофизика, который умер в мае этого года. Важнейшим из его открытий является излучение черных дыр, названное в честь ученого.

 «Интересно, что даже если первичные черные дыры и не существуют, их изучение имело огромное значение для науки: Стивен Хокинг открыл свое излучение, размышляя именно о первичных черных дырах!» – подытожил профессор.