Темний карнавал

Чим довше залишається невирішеною загадка темної матерії, тим більше з’являється екзотичних гіпотез про її природу, включаючи новітню ідею про спадкування гігантських чорних дір біля попереднього Всесвіту.

Для того щоб знати, що щось існує, бачити його необов’язково. Так колись по гравітаційному впливу на рух Урану були відкриті Нептун і Плутон, а сьогодні ведеться пошук гіпотетичної Планети Ікс на дальніх околицях Сонячної системи. Але як бути, коли цей вплив ми виявляємо всюди у Всесвіті? Взяти хоча б галактики. Здавалося б, якщо галактичний диск обертається, то швидкість зірок повинна зменшуватися зі зростанням орбіти. Саме так, наприклад, йде справа з планетами Сонячної системи: Земля мчить навколо Сонця на 29,8 км/с, а Плутон — на 4,7 км/с. Проте вже в 1930-х спостереження за туманністю Андромеди показали, що швидкість обертання її зірок залишається майже постійною, як би далеко на периферії вони не знаходилися. Така ситуація типова для галактик, і в числі інших причин вона призвела до появи концепції темної матерії.

Швидкості руху зірок у центрі і на периферії галактики. Суцільною лінією показана реальна орбітальна швидкість зірок і газу, що обертаються навколо центру галактики; пунктирної — очікувана за відсутності впливу темної матерії

Карнавал проблем

Вважається, що безпосередньо ми її не бачимо: ця загадкова речовина практично не взаємодіє зі звичайними частинками, в тому числі не випускає і не поглинає фотони, — але можемо помітити по гравітаційному впливу на інші тіла. Спостереження за рухами зірок і хмар газу дозволяють складати детальні карти гало темної матерії, що оточує диск Чумацького Шляху, говорити про важливу роль, яку вона відіграє в еволюції галактик, скупчень і всієї великомасштабної структури Всесвіту. Однак далі починаються труднощі. Чим є ця таємнича темна матерія? З чого складається і якими властивостями володіють її частинки?

Головними кандидатами на цю роль вже багато років залишаються вімпи — гіпотетичні частинки, нездатні брати участь у жодних взаємодіях, крім гравітаційної. Виявити їх намагаються як побічно, по продуктах рідкісних взаємодій зі звичайною матерією, так і безпосередньо, за допомогою найпотужніших інструментів, включаючи Великий адронний коллайдер. На жаль, в обох випадках результатів немає.

«Варіант, при якому БАК знайде тільки бозон Хіггса і нічого більше, недарма назвали» кошмарним сценарієм «, — говорить професор Франкфуртського університету Сабіна Хоссенфельдер. — Те, що ознак нової фізики не виявилося, служить мені однозначним сигналом: щось тут неправильно «. Вловили цей сигнал і інші вчені. Після опублікування негативних результатів пошуків слідів темної матерії за допомогою БАК та інших інструментів інтерес до альтернативних гіпотез про її природу явно зростає. І деякі з цих рішень виглядають навіть екзотичніше бразильського карнавалу.

Міріади дір

Що, якщо вімпів не існує? Якщо темна матерія — це речовина, яку ми не можемо побачити, але бачимо ефекти її гравітації, то, можливо, це просто чорні діри? Теоретично на найбільш ранніх етапах еволюції Всесвіту вони могли утворитися у величезній кількості — не із загиблих зірок-гігантів, а в результаті колапсу надщільної і гарячої матерії, що заповнювала розпечений космос. Одна біда: досі не вдалося знайти жодної первинної чорної діри, і достовірно невідомо, чи існували вони коли-небудь взагалі. Втім, у Всесвіті достатньо й інших чорних дір, що підходять на цю роль.

Спостереження далекого космічного зонда Voyager 1 не виявили жодних слідів хокінговського випромінювання, яке могло б свідчити про появу первинних чорних дір мікроскопічного розміру. Втім, це ще не виключає існування більш великих подібних об’єктів

Починаючи з 2015 року інтерферометр LIGO зареєстрував вже 11 гравітаційних хвиль, і 10 з них були викликані злиттями пар чорних дір масами в десятки мас Сонця. Саме по собі це вкрай несподівано, адже подібні об’єкти утворюються в результаті вибухів наднових, і загибла зірка втрачає при цьому більшу частину своєї маси. Виходить, що попередниками зливлися дір були зірки дійсно циклопічних розмірів, які вже давно не повинні народжуватися у Всесвіті. Іншу проблему створює освіта ними подвійних систем. Вибух надновий — подія настільки потужна, що будь-який близький об’єкт буде викинутий далеко геть. Іншими словами, LIGO зареєстрував гравітаційні хвилі від об’єктів, поява яких залишається загадкою.

Наприкінці 2018 року до таких об’єктів звернулися астрофізик Гринвічського науково-технологічного інституту Микола Горькавий і нобелівський лауреат Джон Мазер. Їх розрахунки показали, що чорні діри масами в десятки мас Сонця цілком могли б скласти галактичне гало, яке залишиться практично невидимим для спостережень і при цьому створить всі характерні аномалії в будові і русі галактик. Здавалося б, звідки на далекій периферії галактики взятися потрібній кількості таких великих чорних дір? Адже переважна більшість масивних зірок народжується і гине ближче до центру. Відповідь Горькавий і Мазер дають майже неймовірну: ці чорні діри не «взялися», вони в певному сенсі існували завжди, з самого початку Всесвіту. Це залишки попереднього циклу в нескінченній низці розширень і стиснень світу.

Релікти переродження

Взагалі, Великий відскік — модель в космології не нова, хоча і недоведена, існуюча нарівні з безліччю інших гіпотез еволюції космосу. Можливо, що в житті світобудови періоди розширення дійсно змінюються стисненням, «Великим схлопуванням» — і новим відскоком-вибухом, народженням світу наступного покоління. Однак у новій моделі цими циклами диригують чорні діри, виступаючи в ролі і темної матерії, і темної енергії — таємничої субстанції або сили, що викликає прискорене розширення нашого Всесвіту.

Передбачається, що, поглинаючи речовину і зливаючись один з одним, чорні діри можуть накопичувати все більшу частину від загальної маси Всесвіту. Це повинно призводити до уповільнення її розширення і потім до стиснення. З іншого боку, при злитті чорних дір значна частина їх маси втрачається з енергією гравітаційних хвиль. Тому утворюється в результаті діра буде легше суми своїх колишніх доданків (наприклад, перша зареєстрована LIGO гравітаційна хвиля народилася при злитті чорних дір масами 36 і 29 сонячних з утворенням дірки масою «всього лише» 62 сонячних). Так може втрачати масу і всесвіт, стискаючись і заповнюючись все більш великими чорними дірами, включаючи одну найбільшу — центральну.

Маса чорних дір і нейтронних зірок LIGO

Нарешті, після довгої низки злиття чорних дір, коли значна частина маси Всесвіту «витече» у вигляді гравітаційних хвиль, вона почне розлітатися в усі боки. З боку це буде схоже на вибух — Великий вибух. На відміну від класичної картини Великого відскоку, повного знищення попереднього світу в такій моделі не відбувається, а новий Всесвіт безпосередньо успадковує деякі об’єкти у материнської. Насамперед це все ті ж чорні діри, готові знову зіграти в ній обидві головні ролі — і темної матерії, і темної енергії.

Великий праматір

Отже, в цій незвичайній картині темною матерією виявляються великі чорні діри, що передаються у спадок від Всесвіту до Всесвіту. Але не можна забувати і про «центральну» чорну діру, яка повинна формуватися в кожному такому світі напередодні його загибелі і зберігатися в наступному. Розрахунки астрофізиків показали, що її маса в нашому сьогоднішньому космосі може досягати неймовірних 6 плечей ¹⁰51 кг, 1/20 від маси всієї баріонної матерії, — і безперервно збільшуватися. Її зростання може призводити до все більш швидкого розтягнення простору-часу і проявлятися як розширення Всесвіту, що прискорюється.

Звичайно, присутність такої циклопічної маси має призводити до появи помітних неоднорідностей у великомасштабній структурі Всесвіту. Кандидат на таку неоднорідність вже є — астрономічна Вісь зла. Це порівняно слабкі, але дуже тривожні ознаки анізотропії Всесвіту — структурованості, яка проявляється в ній на найбільших масштабах і ніяк не узгоджується з класичними поглядами на Великий вибух і все, що відбувалося після нього.

Принагідно екзотична гіпотеза вирішує і ще одну астрономічну загадку — проблему несподівано ранньої появи надмасивних чорних дір. Такі об’єкти розташовані в центрах великих галактик і невідомим поки способом встигли набрати масу в мільйони і навіть мільярди мас Сонця вже в перші 1-2 млрд років існування Всесвіту. Неясно, де вони могли б в принципі знайти стільки речовини і тим більше коли могли б встигнути її поглинути. Але в рамках ідеї з «успадкованими» чорними дірами ці питання знімаються, адже зародки їх могли дістатися нам ще від минулого Всесвіту.

Шкода, що екстравагантна гіпотеза Горькавого поки всього лише гіпотеза. Щоб вона стала повноцінною теорією, потрібно, щоб її передбачення збіглися з даними спостережень — причому з такими, які неможливо пояснити традиційними моделями. Звичайно, майбутні дослідження дозволять звірити фантастичні викладки з реальною дійсністю, але станеться це явно не найближчим часом. Тому поки питання про те, де ховається темна матерія і що таке темна енергія, залишаються без відповіді.

Микола Горькавий, доктор фізико-математичних наук, лауреат Державної премії СРСР, директор Грінвічського науково-технологічного інституту (GIST):

«Всесвіт сповнений чорних дір, які при злитті скидають масу в гравітаційні хвилі. Їх множинні злиття і швидке зменшення маси в момент стиснення Всесвіту легко пояснюють сильну «антигравітацію» Великого вибуху. А довготривале зростання з поглинанням гравітаційних хвиль і їх зворотним перетворенням на масу пояснює відносно слабку «гіпергравітацію» і прискорене розширення сучасного Всесвіту. Така модель базується тільки на загальній теорії відносності, вільна від введення будь-яких «темних сутностей» і пророкує весь спектр чорних дір, від зоряних мас до надмасивних. Перевірити її допоможуть нові спостереження LIGO «.