Современные космологические модели, согласующиеся с астрономическими наблюдениями, предполагают, что на начальных стадиях формирования Вселенной возникло большое количество первичных черных дыр. Эти объекты способны объяснить ряд астрофизических загадок, однако их обнаружение до сих пор не представлялось возможным. Новое научное исследование предлагает методы поиска ранее не идентифицированных первичных черных дыр и позволяет установить, какие из уже известных черные дыры являются таковыми.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная обладала чрезвычайно высокой плотностью. Квантовые колебания, неизбежно возникающие в таких условиях, вызывали неоднородности в ее плотности, что проявляется в неоднородности реликтового излучения. Некоторые из этих колебаний плотности оказались достаточно сильными, чтобы накапливать энергию в объеме, недостаточным для гравитационного сжатия. Таким образом, возникли первичные (иногда — первобытные) черные дыры ( PBH). По крайней мере, так должно было быть, если опираться на современные космологические модели.
Образование первичных черных дыр связано с непосредственным накоплением вещества, что позволяет им иметь практически неограниченный размер. Это существенно отличается от сравнительно небольшого диапазона масс звездных черных дыр, которые могут быть в 5-50 раз (согласно некоторым расчетам — до 150) тяжелее Солнца. Теоретически не исключается возможность формирования на ранних этапах эволюции Вселенной черных дыр, масса которых была бы меньше массы нуклона, то есть протона или нейтрона. Однако, до настоящего времени они не смогли сохраниться из-за «испарения», вызванного излучением Хокинга. Считается, что PBH массой менее 1011–1013 килограммов (сопоставимо с массой крупного астероида) по этой причине найти уже не получится.
Черные дыры, масса которых превышает указанный предел, предположительно, широко распространены, однако достоверно подтвердить их существование пока не удалось. Человечество обнаружило множество черных дыр, однако происхождение тех из них, что могли возникнуть практически в начале существования Вселенной, остается невыясненным. Если ученым удастся подтвердить существование PBH во всех диапазонах масс и определить их распределение по космосу, это решит сразу множество открытых космологических вопросов.
Первичные черные дыры с массой, сравнимой с астероидами, способны объяснить не всю, но значительную долю темной материи. Другая серьезная проблема связана с существованием сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, вокруг которых формируются галактики. Других способов, кроме непосредственного накопления вещества сразу после Большого взрыва, для образования таких массивных объектов за 13 миллиардов лет не существует. Обратная ситуация также представляет интерес для астрофизиков: если PBH мало или вовсе не существует, это наложит четкие ограничения на физические процессы в ранней Вселенной.
Новая научная работа, предварительная версия которой опубликован на портале arXiv, для поиска кандидатов в первичные черные дыры рекомендуется изучать двойные системы. Эта идея не нова, однако исследователи из Оклахомского университета провели анализ сценариев взаимодействия двойных и PBH, ранее исследователи не затрагивали эти аспекты в своих работах. Авторы пришли к заключению, что для выявления и подтверждения статуса объекта, потенциально превращающегося в черную дыру, достаточно уже существующих данных, полученных с различных обсерваторий. В отдельных случаях могут потребоваться незначительные корректировки. Необходимо лишь определить, в каком направлении вести наблюдения.
Предположим, что имеется система, состоящая из двух тел с близкой к равной массе, и она сталкивается с третьим телом, также имеющим примерно одинаковую массу. В результате могут произойти пять различных сценариев развития событий:
- Сжатие двойной системы (Hardening) — она передает часть энергии третьему телу, после чего оно продолжает двигаться свободно, а первые два тела сближаются;
- Расслабление двойной системы (Softening) — она извлекает энергию из третьего тела, после чего оно продолжает двигаться свободно, а первые два тела удаляются друг от друга;
- Разрушение двойной системы (Disruption) — она получает настолько большое количество энергии третьего тела, что её стабильность нарушается, и все участники взаимодействия продолжают двигаться независимо друг от друга;
- Захват третьего тела в двойной системе ( Capture) — она расслабляется (два первых объекта удаляются друг от друга) и включается в состав третьего тела;
- Замещение одного из компонентов двойной системы третьим объектом ( Exchange) — второе тело, составлявшее изначальную двойную систему, начинает свободное движение в пространстве.
Первый сценарий маловероятен из-за ряда физических ограничений; система, вероятно, в конечном итоге останется нестабильной и потерпит разрушение. По той же причине захват также не рассматривается. Расслабление и разрушение анализировались в предыдущих работах, однако они неэффективны для поиска примитивных черных дыр, поскольку такие события с участием PBH неотличимы от событий с участием других типов тел. А вот замена — весьма любопытный сценарий, на который обратили внимание исследователи в своей работе.
Изучение численности и пространственного расположения исходных черных дыр предоставит ценные сведения о структуре Вселенной PBH массой между «астероидной» и «звездной». Такие объекты могут находиться в двойных системах со звездами, причем их свойства будет нехарактерны для «классических» астрофизических сценариев возникновения системы. В качестве примера авторы работы приводят систему Gaia BH1 — образование двойной системы из звезды и черной дыры звездной массы, выявленное в ходе миссии Gaia.
Оба объекта обладают схожей массой и вращаются вокруг общего центра масс, находясь на удалении около трех астрономических единиц. Черная дыра в этой системе не могла сформироваться в результате взрыва сверхновой. Прежде всего, на таком расстоянии подобное событие разрушило бы всю атмосферу второй звезды. Кроме того, в спектре сохранившейся звезды отсутствуют признаки поглощения вещества от «погибшего» соседа.
Обнаружение звезд, вращающихся вокруг невидимых компаньонов, вполне осуществимо с использованием доступных астрономам инструментов. К тому же, такие двойные системы потенциально могут быть найдены в уже существующих архивных данных наблюдений. Ученые предлагают несложный алгоритм для анализа: сначала необходимо убедиться, что второй объект является черной дырой звездной массы, а затем проверить, соответствует ли существование такой черной дыры в данной системе общепринятым сценариям ее образования.
Анализ, проведенный в рамках нового исследования, указывает на высокую вероятность того, что одна из звезд в двойной системе может быть заменена первичной черной дырой. Эта вероятность не так велика, чтобы астрономам удалось наблюдать подобное явление непосредственно, но достаточна для формирования значительного числа подобных двойных систем. Кроме того, предложенный авторами механизм может быть реализован и для PBH любых размеров. То есть вполне вероятно существование большого количества планетных и даже астероидных двойных систем, в которых один компонент — черная дыра. Правда, такие объекты человечество еще долго будет не способно обнаруживать.