Чи чорні діри утворилися відразу після Великого вибуху?

Як утворилися надмасивні чорні діри? Що таке темна матерія? В альтернативній моделі того, як виник Всесвіт, у порівнянні з "підручником" історії Всесвіту, група астрофізиків пропонує пояснити обидві ці космічні таємниці так званими "первинними чорними дірами".

Про це розповідають в Університеті Маямі.

Пропонуючи альтернативну модель виникнення Всесвіту, команда астрофізиків припускає, що всі чорні діри — від крихітних, як шпилькова головка, до тих, що покривають мільярди кілометрів — були створені миттєво після Великого вибуху та на них припадає вся темна матерія.

Такий висновок дослідження, проведеного астрофізиками з Університету Маямі, Єльського університету та Європейського космічного агентства (ЄКА), яке припускає, що чорні діри існували з самого початку Всесвіту та що ці первинні чорні діри можуть бути досі незрозумілою темною матерією. Якщо підтвердяться дані, зібрані після скорого запуску космічного телескопа Джеймса Вебба, то це відкриття може змінити наукове розуміння походження та природи двох космічних таємниць: темної матерії та чорних дір.

«Наше дослідження передбачає, як виглядав би ранній Всесвіт, якби замість невідомих частинок темна матерія була зроблена чорними дірами, що утворилися під час Великого вибуху — як запропонував Стівен Хокінг у 1970-х роках», — сказав Ніко Каппеллуті, доцент фізики в Університеті Маямі та перший автор дослідження, яке заплановано до публікації в "The Astrophysical Journal".

«Це мало б кілька важливих наслідків», — продовжив Каппеллуті, який цього року розширив дослідження, розпочате у Єльському університеті ним як докторантом Єльського центру астрономії та астрофізики. «По-перше, нам не знадобиться "нова фізика", щоб пояснити темну матерію. Щобільше, це допомогло б нам відповісти на одне з найбільш непереборних питань сучасної астрофізики: як могли надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті так швидко збільшитися? Враховуючи механізми, які ми спостерігаємо сьогодні в сучасному Всесвіті, вони не встигли б сформуватися. Це також вирішило б давню загадку про те, чому маса галактики завжди пропорційна масі надмасивної чорної діри в її центрі».

Темна матерія – це первинні чорні діри?

Вважається, що темна матерія, яка ніколи не спостерігалася безпосередньо, є більшою частиною матерії у Всесвіті та діє як каркас, на якому формуються та розвиваються галактики. З іншого боку, в центрах більшості галактик спостерігалися чорні діри. Точка в просторі, де матерія настільки щільно стиснута, що вони створюють інтенсивну гравітацію.

У співавторстві з Пріямвадою Натараджаном, професором астрономії та фізики Єльського університету, та Гюнтером Хасінгером, директором з науки ЄКА, нове дослідження припускає, що так звані первинні чорні діри всіх розмірів становлять всю чорну матерію у Всесвіті.

«Чорні діри різних розмірів досі залишаються загадкою», – пояснив Хасінгер. «Ми не розуміємо, як надмасивні чорні діри могли вирости настільки величезними за відносно короткий час, доступний з моменту існування Всесвіту».

Їхня модель змінює теорію, вперше запропоновану Хокінгом та його колегою-фізиком Бернардом Карром, які стверджували, що в перші частки секунди після Великого вибуху крихітні коливання щільності Всесвіту могли створити хвилястий ландшафт з "грудкуватими" областями, які володіли додатковою масою. Ці грудкуваті ділянки могли колапсувати у чорні діри.

Ця теорія не набула наукової підтримки, але Каппеллуті, Натараджан та Хасінгер припускають, що вона може бути справедливою з деякими невеликими змінами. Їхня модель показує, що перші зорі та галактики утворилися навколо чорних дір у ранньому Всесвіті. Вони також припускають, що первісні чорні діри мали здатність переростати в надмасивні чорні діри, ласуючи газом та зірками поблизу, або злившись з іншими чорними дірами.

«Первинні чорні діри, якщо вони існують, цілком можуть бути насінням, з якого утворюються всі надмасивні чорні діри, включаючи ту, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху», — сказав Натараджан. «Чому я особисто вважаю, що ця ідея надзвичайно захоплива, так це те, як вона елегантно об’єднує дві дійсно складні проблеми, над якими я працюю, — дослідження природи темної матерії та утворення та зростання чорних дір — і вирішує їх одним махом».

Первинні чорні діри також можуть вирішити іншу космологічну загадку: надлишок інфрачервоного випромінювання, синхронізованого з рентгенівським, який було виявлено від далеких тьмяних джерел, розсіяних по Всесвіту. Автори дослідження сказали, що первинні чорні діри, зростаючи, мали б "точно" таку саму радіаційну сигнатуру.

Майбутні способи знайти докази

І, що найкраще, існування первинних чорних дір може бути доведено — або спростовано — найближчим часом завдяки телескопу Вебба, який планується запустити з Французької Гвіани до кінця року, та Космічній лазерній інтерферометричній антені (LISA) під керівництвом ЄКА - місії, запланованій на 2030-ті роки.

Розроблений НАСА, ЄКА та Канадським космічним агентством для заміни космічного телескопа Хаббла, Вебб може заглядати у більше ніж на 13 мільярдів років назад. Якщо темна матерія складається з первісних чорних дір, у ранньому Всесвіті навколо них утворилося б більше зірок і галактик, що й зможе побачити космічна машина часу.

«Якщо перші зорі та галактики вже сформувалися в так званих "темних періодах", Вебб мав би побачити їх докази», – сказав Хасінгер.

LISA тим часом зможе вловлювати сигнали гравітаційних хвиль від ранніх злиттів первісних чорних дір.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.