Гравитационные волны помогли понять, как формировались первые черные дыры

Новости МирТесен

Обширное исследование гравитационных волн поставило под вопрос одну из самых неординарных гипотез в космологии. Полученные данные указывают на то, что первичные черные дыры, скорее всего, не могут составлять существенную долю темной материи. Это имеет большое значение, поскольку на протяжении десятилетий они рассматривались как одни из самых необычных и при этом потенциально проверяемых кандидатов на роль невидимой массы Вселенной.

Гравитационные волны, или гравиволны, открывают возможность наблюдать за слиянием черных дыр (ЧД) в различных точках Вселенной. Однако некоторые из этих объектов демонстрируют характеристики, которые сложно объяснить в рамках общепринятых моделей эволюции звезд: они либо слишком массивны, либо, напротив, обладают недостаточной массой. Это навело ученых на мысль, что некоторые обнаруженные ЧД могли сформироваться не в результате коллапса звезд, а в ранние этапы развития Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Такие предположительные объекты получили название первичных черных дыр.

Если эти частицы действительно существуют в значительных количествах, они способны объяснить природу как минимум части темной материи – загадочной субстанции, которая, по оценкам, составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной.

После изучения информации, полученной в ходе первой фазы четвертого периода работы детекторов LIGO, VIRGO и KAGRA (O4a), в течение которого было зафиксировано 85 сигналов, связанных со слиянием компактных объектов, ученые стремились установить, можно ли объяснить некоторые из этих столкновений гипотезой о существовании первичных черных дыр.

В рамках данного исследования были разработаны различные модели. Согласно одной из них, все зарегистрированные события обусловлены стандартными процессами и являются результатом слияния черных дыр, возникших в результате коллапса массивных звезд. Другая модель предполагает, что некоторые события могут быть связаны с первичными черными дырами. Также рассматривался комбинированный сценарий, в котором присутствуют оба типа черных дыр.

В качестве основного средства научных исследований выступают гравитационные волны. Если первичные черные дыры распространены во Вселенной, то они должны периодически сталкиваться, генерируя сигналы гравитационных волн. К тому же, большое количество удаленных и невыразительных слияний должно создавать специфический гравитационно-волновой фон, подобный космическому шуму, пронизывающему пространство.

Главным выводом исследования стало снижение количества обнаруженных сигналов. Выполненные расчеты указывают на то, что первичные черные дыры, масса которых колеблется в пределах от 0,6 до 100 масс Солнца, могут составлять незначительную часть темной материи. В настоящее время это наиболее строгие ограничения, установленные для подобных объектов.

Авторы научной работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, изучили также возможность существования сверхлегких первичных черных дыр — объектов в тысячи раз легче Солнца. Заметить их напрямую практически невозможно, но они могли бы образовывать двойные системы внутри Млечного Пути. Хотя современные детекторы пока недостаточно чувствительны, чтобы уверенно находить такие сигналы, будущие наблюдения, по мнению ученых, смогут проверить и этот сценарий.

Полученные данные нового исследования существенно ограничивают вероятность существования примитивных черных дыр. Если они и присутствуют во Вселенной, то их количество крайне невелико, либо они обладают такой массой, которую существующие детекторы показывают редко.

Для космологов это имеет значение: каждое подобное исследование позволяет ученым шаг за шагом отсеивать потенциальные объяснения природы темной материи. Однако ни одна из многочисленных современных теорий не получила убедительных доказательств. Более детально о проблеме Naked Science рассказывал здесь.