Темная загадка

Что мы знаем о черных дырах? С точки зрения математики черные дыры — это решения уравнений Эйнштейна. Как известно еще из теории Ньютона, сила гравитационного притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. И если массивный объект очень компактный, то вблизи него гравитационное поле столь сильное, что даже свет не может от него улететь. Это и есть черная дыра.

Фото: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Еще несколько лет назад черные дыры являлись гипотетическими объектами, и некоторые ученые высказывали сомнения в их существовании. Но положение дел сильно изменилось после того, как в 2016 году было объявлено о первом случае прямой регистрации гравитационных волн гравитационно-волновым телескопом-интерферометром LIGO. Произошло это через 100 лет после предсказания существования гравитационных волн Альбертом Эйнштейном. Источниками наблюдавшихся гравитационных волн являлись черные дыры. Сейчас телескопы LIGO и Virgo зарегистрировали уже множество всплесков гравитационных волн, возникших при столкновении двух черных дыр или черной дыры и нейтронной звезды в двойных системах.

Еще один мощный аргумент в пользу существования черных дыр дало наблюдение так называемой тени черной дыры в галактике M87 с помощью «Телескопа горизонта событий» — глобальной сети радиотелескопов, разбросанных по всей Земле и работающих как единое целое.

Что такое тень черной дыры? По сути это то же, что и обычная тень. Если источник света расположен за черной дырой, то она будет поглощать фотоны и мы увидим темное пятно — тень, окруженную светящимся кольцом. Тень черной дыры ненамного больше ее размера, поэтому наблюдение тени подтвердило, что центральный сверхмассивный объект в галактике M87 по своим свойствам действительно соответствует черной дыре. Есть и другие аргументы в пользу существования во Вселенной черных дыр.

Как образуются черные дыры? Часть событий, которые наблюдают LIGO и Virgo, а возможно и все эти события, объясняются черными дырами и нейтронными звездами звездного происхождения. Эти объекты образуются при взрывах массивных звезд. В одной только нашей Галактике таких черных дыр должно быть сотни миллионов. Их массы всего в несколько раз или в несколько десятков раз больше массы Солнца. В центрах галактик, как в уже упомянутой галактике M87, находятся сверхмассивные черные дыры с массами до десятка миллиардов масс Солнца. Например, в центре нашей Галактики находится черная дыра с весьма скромной массой в 4 млн масс Солнца. Сверхмассивные черные дыры могли образовываться иными путями, чем звездные черные дыры. Они могли рождаться при сжатии очень массивных газовых облаков или за счет других процессов.

Выше мы упоминали возможные астрофизические механизмы образования черных дыр. Но ученые выдвинули гипотезы, что черные дыры могли образовываться и на очень ранних стадиях эволюции Вселенной, когда никаких звезд и галактик еще не было. Такие черные дыры сейчас называют первичными черными дырами. Впервые гипотеза о первичных черных дырах была сформулирована в 1966 году советскими учеными Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым. Зельдович и Новиков опубликовали свою работу в советском «Астрономическом журнале».

Несколько лет спустя Стивен Хокинг предложил похожую модель. И сейчас многие зарубежные ученые считают Хокинга первопроходцем в этом вопросе и ссылаются именно на его работу, хотя первыми были Зельдович и Новиков.

Ситуация в некоторой степени похожа на историю изобретения радио: западный мир считает изобретателем радио итальянца Гульельмо Маркони, американцы — Николу Теслу, а в России авторство признают за россиянином Александром Поповым.

Пока неизвестно достоверно, существуют ли первичные черные дыры. Но если они существуют, то они могут объяснять ряд нерешенных проблем в космологии и астрофизике. Например, загадочная темная материя может состоять из первичных черных дыр. Среди гравитационных всплесков, наблюдавшихся LIGO и Virgo, есть такие, которые сгенерированы черными дырами, имевшими малые угловые моменты (скорости вращения). Но при взрывах сверхновых звезд должны возникать черные дыры с большими угловыми моментами. Это противоречие могут разрешить первичные черные дыры, если их слияния и наблюдались LIGO и Virgo, так как у первичных черных дыр угловые моменты малы. Черные дыры в центрах галактик могут поглощать вещество, и при этом генерируется мощное излучение — такие объекты видны на очень больших расстояниях как квазары. Большое расстояние соответствует очень давним временам, так как свету потребовались миллиарды лет, чтобы дойти до нас от квазара. Пока неизвестно, как в столь ранней Вселенной могли появиться сверхмассивные черные дыры. Ответом могут служить первичные черные дыры, которые образовались очень рано. Как видим, первичные черные дыры могли бы многое объяснить, решить ряд проблем. Но надо отметить, что все же пока неизвестно, существуют они или нет.

В современной космологии есть ряд интересных нерешенных проблем. Одна из них — проблема Hubble tension. На русский это можно перевести как «напряженность или несогласованность в измерениях постоянной Хаббла». Постоянная Хаббла — величина, характеризующая скорость, с которой расширяется Вселенная. Она постоянна в том смысле, что одинакова во всех направлениях, и она рассматривалась как константа в математической зависимости скорости удаления галактик от расстояний до них. Но сейчас известно, что постоянная Хаббла не совсем постоянная, она медленно изменяется во времени.

Некоторые группы ученых определяют постоянную Хаббла по эффектам в ранней Вселенной, а другие — по эффектам в поздней Вселенной. И, что удивительно, у них получаются разные величины постоянной Хаббла! В случае ранней Вселенной величину постоянной Хаббла получают из наблюдений флуктуаций реликтового излучения, а в поздней Вселенной — по цефеидам и сверхновым типа Ia (взрывающимся белым карликам — особым типам звезд). Период пульсации звезды-цифеиды связан с яркостью, а наблюдаемая светимость зависит от расстояния, на котором от нас находится звезда. Ученые сначала определяют расстояние до звезды-цифеиды, а потом связывают ее со сверхновыми Ia и таким путем строят шкалу космических расстояний. И с помощью этой шкалы находят постоянную Хаббла. И вот эти два метода дали результаты, которые отличаются на 5%.

Почему имеется расхождение между двумя методами измерений постоянной Хаббла — это загадка. Впервые эту проблему ясно сформулировали академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Игорь Ткачев и его коллеги Зураб Бережиани (Университет Аквилы, Италия) и Александр Долгов (Новосибирский университет) в работе, которая была опубликована в журнале Physical Review D в 2015 году. Они же предложили и первую теоретическую возможность решения проблемы Hubble tension. В их модели различие в измерениях постоянной Хаббла возникает за счет распада частиц темной материи. Постоянная Хаббла зависит от общей плотности вещества и излучения во Вселенной. Если часть частиц распалась и превратилась в излучение, то постоянная Хаббла уменьшалась со временем быстрее, чем в случае без распадов, так как плотность излучения при расширении Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность вещества.

К настоящему времени предложено уже множество возможных решений проблемы Hubble tension, но пока неизвестно, какое из них является правильным и не может ли эта проблема решаться каким-то иным, неизвестным пока путем. В статье старшего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН Юрия Ерошенко, опубликованной в международном журнале Physics of the Dark Universe («Физика темной Вселенной»), предложен еще один вариант решения этой проблемы. Гипотеза основана на предположении о существовании первичных черных дыр с малыми массами (от миллионной до тысячной доли массы Земли). Автор предположил, что первично эти черные дыры были собраны в компактные скопления, где они часто сталкивались между собой. При столкновениях несколько процентов массы черных дыр было излучено в гравитационные волны, которые ведут себя во Вселенной как излучение. Плотность энергии гравитационных волн уменьшается быстрее, чем плотность обычного вещества. Масса Вселенной стала меньше примерно на 10% из-за того, что часть массы первичных черных дыр перешла в гравитационные волны. Так же как и в модели с распадающимися частицами, это может объяснить разную величину постоянной Хаббла по измерениям в ранней и в современной Вселенной.

Критерием истины в науке является опыт: эксперимент и наблюдения. Существуют или нет во Вселенной первичные черные дыры и каким путем решается проблема с постоянной Хаббла, покажут будущие высокоточные наблюдения с помощью новых телескопов и детекторов.