Может ли темная материя состоять из первичных черных дыр, столь же многочисленных, как звезды? Это старая и маловероятная теория, но она, как библейский Лазарь, вернулась в поле зрение ученых год назад, когда из-за открытия гравитационных волн возникло предположение, что космос изобилует неожиданно тяжелыми черными дырами. За десятилетия исследователям так и не удалось обнаружить гипотетические частицы темной материи, так что физики обратились к более радикальным способам объяснить недостающую массу Вселенной.
Может ли темная материя состоять из черных дыр?

Марк Камионковски, теоретик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, чья команда представила новую идею на заседании Американского физического общества, с большим воодушевлением относится к изучению темной материи. Многие относятся к подобным предположениям скептически, что неудивительно — за долгие годы у физиков по‑прежнему не так много фактической информации, на основании которой можно было бы строить гипотезы.

Обычные черные дыры образуются после коллапса отдельных звезд, и ученые полагали, что предельная масса примерно в 15 раз больше массы нашего Солнца. Сверхмассивные черные дыры, скрывающиеся в центре почти каждой галактики, поглощают миллиарды звезд. Однако астрофизики не видели, чтобы коллапсирующие звезды образовывали черные дыры промежуточных масс. Вот почему для всех стал неожиданностью тот факт, что с помощью LIGO в феврале 2016 года удалось засечь рябь в пространстве, вызванную слияние двух черных дыр, масса которых в 29 и 36 раз соответственно превосходит массу Солнца.

Теоретики говорят, что существует возможность формирования таких тяжелых черных дыр еще до появления первых звезд: речь идет о прямом распаде вещества в кипящую плазму частиц, которые наполнили космос сразу после Большого Взрыва. Если открытие LIGO не было просто статистическим искажением, то пространство может просто кишеть такими «первичными» черными дырами, что будет исчерпывающим объяснением того, куда подевалось 85% вещества во Вселенной.

Кроме того, такие образования должны были оставить след на космическом микроволновом слое (CMB). Рентгеновские лучи из материи, закрученной в черные дыры, должны были ионизировать некоторые первичные атомы, которые оставили бы свой след в CMB. Камионковски и его коллеги вычислили, что черные дыры, масса которых составляет от 20 до 100 солнечных масс, могут попадать под эту категорию. Однако Массимо Рикотти, космолог из Университета штата Мэриленд в Колледж-Парк, ранее сделавший серию расчетов с различными гипотезами, считает, что «очень сложно уместить всю темную материю в черные дыры, масса которых составляет 30 солнечных масс».

Тимоти Брандт, астрофизик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, говорит, что в этой теории существует и другой спорный аспект. Черные дыры тяжелее, чем 10 солнечных масс, уже давно должны были бы оказаться в центре малых галактик, разрывая звезды силой своей гравитации. Это, разумеется, привело бы к хаотизации и «вспениванию» центральной зоны самих галактик. Однако ученый исследовал 5 небольших галактик вблизи Млечного Путь и обнаружил, что все они компактны и стабильны, что, по мнению Брандта, является очень сильным аргументом против гипотезы Камионовски.

Тяжелые черные дыры также могут выдавать свое присутствие, проходя мимо далеких звезд. Их сила тяжести будет увеличивать звезду, временно делая ее ярче с помощью эффекта микролинизирования. Два исследования этого явления, проведенные еще в 1990 году, исключают возможность существования огромного числа черных дыр. Но поскольку сами исследования были довольно короткими, они были чувствительны лишь к дырам, обладающим весьма скромной массой. Эли Ковец, космолог из Университета Джона Хопкинса, говорит, что сейчас необходимо провести ряд повторных исследований, чтобы обсуждать гипотезу на основе достоверной информации. Ковец надеется, что это возможно с помощью новейших радиотелескопов, которые будут запущены на орбиту уже в ближайшие годы. Микролинизированная черная дыра, масса которой составляет примерно 30 солнечных масс, должна была сгенерировать большое эхо, в результате чего обнаружить ее не составит труда, и, если Вселенная и в самом деле полна первичными сверхмассивными дырами, то новое оборудование обнаружит тысячи подобных образований.

Эту дискуссию вызвало открытие LIGO, но сам прибор навряд ли сможет положить ей конец. К примеру, в июне прошлого года было обнаружено еще одно слияние черных дыр, но вовлеченные в него объекты обладали массой всего лишь в 6 и 14 солнечных масс. А на прошлой неделе LIGO сообщил, что обнаружил еще два объекта, которые могут в конечном итоге оказаться черными дырами на стадии слияния. Для достоверности, как уверяет Ковец, необходимо будет исследовать не менее 100 подобных случаев — а это займет время.