Обнаружил ли детектор гравитационных волн тёмную материю

Обнаружил ли детектор гравитационных волн тёмную материю?

Аэрофотосъемка LIGO, который находится в Луизиане. Именно благодаря ему и его "брату" физики смогли зарегистрировать гравитационные волны.
Фотография LIGO Laboratory.

Когда обсерватория LIGO обнаружила отголоски ДТП двух чёрных дыр, столкнувшихся когда-то в далёком космосе, учёные радостно отмечали подтверждение прогноза Альберта Эйнштейна о существовании гравитационных волн. Напомним, что недавно физикам удалось второй раз повторить свой успех и снова зафиксировать возмущения метрики пространства-времени.

Однако одну команду астрофизиков интересовал в этот момент совершенно другой вопрос: можно ли в ходе эксперимента также обнаружить тёмную материю, которая составляет большую часть массы Вселенной?

Восемь учёных факультета физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса уже начали проводить свои расчёты, когда в феврале было объявлено об открытии Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Напомним, что 11 февраля физики из коллаборации, куда входят в том числе и видные российские учёные, объявили о первом обнаружении колебаний полотна пространства-времени.

Результаты астрофизиков, опубликованные в научном журнале Physical Review Letters, строят гипотезу, которая предполагает решение одной из важнейших загадок современной астрофизики, касающейся тёмной материи.

Мы рассматриваем возможность, что двойная чёрная дыра (black hole binary), обнаруженная LIGO, может быть некой "подписью" тёмной материи, пишут исследователи из Университета Джонса Хопкинса в своей статье.

В статье приведены пять страниц математических расчётов, снабжённых комментариями, показывающими, как исследователи изучают массу двух чёрных объектов, обнаруженных LIGO, в качестве отправной точки. То есть они предполагают, что эти объекты могут быть частью того таинственного вещества, которое, как известно, составляет около 85 процентов массы всей Вселенной.

Тёмная материя (такое название ей было дано, потому что её невозможно напрямую увидеть в телескоп) с 1930-х годов стала одним из основных предметов научных дискуссий, но лишь в последнее время физики-теоретики взялись за её изучение более тщательно. Дополнительные доказательства существования тёмной материи появились в 1970-е годы, хотя и очень косвенные.

Специалисты говорят, что в то время, как тёмная материя сама по себе не может быть пока обнаружена, может быть зафиксировано её гравитационное воздействие на окружающее пространство. Например, воздействие близлежащей тёмной материи, как полагается, объясняет несоответствие расчётов реальным наблюдениям за вращением видимой материи в галактиках.

Так, команда астрофизиков из Университета Джонса Хопкинса, возглавляемая Симеоном Бёрдом (Simeon Bird), была буквально ошеломлена массой чёрных дыр, обнаруженных LIGO.

Поясним, что, согласно принятой классификации, масса чёрных дыр измеряется в солнечных массах или "солнцах". Столкнувшиеся объекты, которые произвели гравитационные волны, зафиксированные в первый раз, имели массы в 29 и 36 раз больше массы нашей звезды.

Что же смутило учёных? По их мнению, такие показатели слишком огромны, чтобы соответствовать предположениям о размере самых больших звёздных чёрных дыр (stellar black hole) – ультраплотной структуре, которая формируется при коллапсе звезды. Но такая масса также слишком мала, чтобы соответствовать прогнозам о размере сверхмассивных чёрных дыр, которые располагаются в центрах галактик.

Однако два объекта, обнаруженные LIGO, вписываются в ожидаемый диапазон масс первичных чёрных дыр.

Первичные чёрные дыры, как полагают астрономы, это гипотетический тип чёрной дыры, которая образовывалась не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, но из сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Заметим, что пока их существование не было установлено с полной достоверностью, но в прошлом такие объекты были предложены в качестве возможного ответа на загадку тёмной материи.

Здесь нужно добавить, что гипотеза о том, что "тёмная материя является первичными чёрными дырами" не получила широкого одобрения в среде учёных именно из-за отсутствия доказательств существования такого типа чёрных дыр.

Теперь же, как считают астрофизики, результаты LIGO снова поднимают вопрос о более тщательном рассмотрении этой гипотезы. Тем более, что слившиеся чёрные дыры, породившие гравитационные волны, соответствуют массе, предсказанной для тёмной материи.

Прогнозы, сделанные учёными в прошлом, говорят о том, что условия в молодой Вселенной во многом определялись множеством этих первичных чёрных дыр. Они, согласно теории, были равномерно распространены по всей Вселенной, группируясь в кольца вокруг галактик. Всё это делает их хорошими кандидатами на роль тёмной материи.

Команда астрофизиков из Университета Джонса Хопкинса посчитала, как часто эти первичные чёрных дыры могли образовывать двойные пары и, в конечном счёте, сталкиваться. Принимая во внимание размер и вытянутую форму, которая, как полагается, характерна для вращающихся вокруг единого центра масс двойных первичных чёрных дыр, астрофизики США предполагают, что скорость столкновения соответствует результатам LIGO.

Конечно, потребуется больше наблюдательных данных от LIGO и других доказательств, чтобы подтвердить гипотезу. Вероятно, в этом поможет и тщательное изучение данных второго обнаружения гравитационных волн.

Элай Ковец (Ely D. Kovetz), один из членов команды астрофизиков, считает, что то, что открытие гравитационных волн может быть связано с тёмной материей, уже делает много шума среди астрофизиков. Так что само обнаружение это только начало новой эры в астрономии, в которой нас ждёт ещё много невероятных открытий и возможных подтверждений различных гипотез.