Хорошо согласующиеся с наблюдениями космологические модели предсказывают появление множества первичных черных дыр на самых ранних этапах существования Вселенной. Эти объекты могут объяснить целый спектр астрофизических проблем, но обнаружить их до сих пор не удалось. Новая научная работа предлагает инструменты для поиска ранее не выявленных первичных черных дыр и определения, какие из известных черных дыр являются первичными.
В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной. Квантовые флуктуации приводили к неравномерностям ее плотности, что заметно по неоднородности реликтового излучения. Некоторое количество колебаний плотности было достаточно для аккумуляции энергии в радиусе, меньшем чем необходимый для гравитационного коллапса. Так возникли первичные черные дыры. PBHСогласно актуальным космологическим моделям, это должно было произойти.
Механизм образования первичных черных дыр предполагает прямую аккумуляцию вещества, поэтому размер таких объектов может быть любым. В отличие от сравнительно узкого диапазона масс звездных черных дыр, которые могут быть в 5-50 (по другим расчетам — 150) раз тяжелее Солнца. Фактически физика не запрещает появления на ранних этапах существования Вселенной черных дыр массой легче нуклона — протона или нейтрона. Однако до наших дней они сохраниться не могли из-за «испарения» в результате излучения Хокинга. PBH массой менее 1011–1013Вес объекта, сопоставимый с массой большого астероида, в будущем обнаружить будет невозможно.
Первичные черные дыры весом более этого предела должны быть распространены, однако обнаружить их достоверно пока не удалось. Человечество нашло немало черных дыр, но какие из них появились практически одновременно со Вселенной — вопрос открытый. Если ученым удастся подтвердить существование… PBHОпределение распределения объектов во всех массах позволит решить ряд актуальных космологических задач.
Первичные черные дыры «астероидной» массы могут объяснить немалую часть темной материи. Другая проблема — наличие в молодой Вселенной сверхмассивных черных дыр, формирующих галактики. Без прямой аккумуляции вещества после Большого взрыва такие массивные объекты не могли образоваться 13 миллиардов лет назад. Интересна и обратная ситуация: если… PBHОтсутствие или минимальное количество материи поставит жесткие рамки для физических процессов в начальной Вселенной.
Новое научное исследование, не опубликованный черновик которого опубликован на портале arXivВ поиске кандидатов в первичные черные дыры предлагается обратить внимание на двойные системы. Авторы исследования из Оклахомского университета исследовали такие сценарии взаимодействия. PBHИсследователи обнаружили новые данные, которые до сих пор не рассматривались. По их мнению, для нахождения и подтверждения статуса первичной черной дыры достаточно имеющихся наблюдений различных обсерваторий. Возможно, понадобятся некоторые уточнения. Главное — знать, куда смотреть.
Предположим, система состоит из двух тел сравнимой массы. Такая система сталкивается с третьим телом схожей массы. Возможны пять вариантов развития событий:
- Сжатие двойной системы (HardeningОна передает энергию третьему телу, которое остается в движении, и первые два тела приближаются друг к другу.
- Расслабление двойной системы (Softening— в результате этого третьий объект уходит, продолжая движение, в то время как первый и второй разбегаются.
- Разрушение двойной системы (DisruptionВзаимодействие сопровождается поглощением большим количеством энергии третьего тела, что нарушает стабильность. Участники взаимодействия продолжают независимое от друг друга движение.
- Поглощение третьей звезды двойственной системой. CaptureОна расслабляется, первый объект отдаляется от второго, а третье тело входит в состав первого.
- Замена одного тела двойной системы другим. ExchangeВторое тело исходной двойной системы покидает систему и отправляется в свободное плавание.
Первый сценарий маловероятен из-за физических ограничений. Система, скорее всего, останется нестабильной и разрушится. Расслабление и разрушение неприменимы для поиска первичных черных дыр, так как такие события с их участием… PBHНеразличимы от происшествий с другими объектами. Замена же – сценарий, привлекший интерес учёных в их исследовании.
Информация о количестве и распределении первичных черных дыр во Вселенной может многое рассказать о популяции таких объектов. PBHОбъекты по массе находятся между астероидными и звёздными. Такие объекты могут находиться в двойных системах с звёздами, причём свойства будут нетипичны для классических астрофизических сценариев возникновения системы. Gaia BH1Двойная система, состоящая из звезды и черной дыры звездной массы, была обнаружена миссией. Gaia.
Два объекта имеют сходную массу и вращаются вокруг общей точки массового центра на расстоянии около трех астрономических единиц друг от друга. Черная дыра в этой системе не могла возникнуть из взрыва сверхновой. Во-первых, такое событие уничтожило бы атмосферу второй звезды системы. Во-вторых, в спектре оставшейся звезды отсутствуют следы поглощения материи «погибшим» соседом.
Наблюдение за танцующими звездами с невидимыми партнёрами вполне осуществимо с помощью имеющихся астрономических инструментов. Такие двойные системы могут быть обнаружены и в старых наблюдениях. Учёные предлагают алгоритм анализа: сначала подтвердить, что второй объект — чёрная дыра звездной массы, а затем проверить возможность существования такой чёрной дыры в данной системе по обычным сценариям её образования.
Расчеты новой работы показывают, что замещение одной из звезд двойной системы первичной черной дырой — вероятное событие. Вероятность достаточно высока, чтобы подобные двойные системы существовали в больших количествах, но недостаточно, чтобы астрономам удавалось наблюдать их напрямую. PBHПланетарные и астероидные системы с черными дырами могут существовать в больших количествах. Обнаружение таких объектов затруднено для человека на протяжении длительного времени.