Хокинг был прав? «Элегантная» теория астрофизиков предполагает, что темная материя появилась из самых древних черных дыр

Считается, что темная материя является основой крупнейшей структуры Вселенной — космической паутины. Именно на переплетениях этих «паутинок» и формируются галактики.

Ученые затрудняются ответить, откуда появилась темная материя и что именно удерживает ее в пространстве. Фактически гипотеза о ее существовании строится на том, что нам нужно что-то, что создавало бы тот гравитационный баланс, который сейчас царит во Вселенной.

Ранее мы писали, что ученые нашли доказательства существования аксионов — загадочных частиц, из которых теоретически состоит темная материя. Если их наблюдения подтвердятся, то мы получим самое серьезное доказательство наличия темной материи во Вселенной

Однако есть еще одна интригующая гипотеза, которая развивает теорию Стивена Хокинга и Бернарда Карра. Однако для того, чтобы нырнуть в эти исследования, давайте сначала быстро разберемся, откуда появляются черные дыры согласно общепринятой модели.

Ученые считают, что практически все черные дыры появились после смерти достаточно массивных звезд. Когда термоядерное топливо звезды полностью выгорает, она начинает остывать и сжиматься под действием гравитации, фактически поглощая сама себя. Это может сопровождаться достаточно красочным процессом — вспышкой сверхновой, когда звезда увеличивает свою светимость в миллиарды раз, выделяя огромное количество энергии.

Соответственно, для появления первых черных дыр должно было пройти достаточно времени, чтобы во Вселенной сначала сформировались первые звезды — согласно последним оценкам, около 250−300 млн лет после Большого взрыва. Еще несколько миллионов лет пришлось бы подождать, пока достаточно массивная звезда сожжет все свои запасы топлива — и только тогда во Вселенной появились бы первые черные дыры.

Однако в 1971 году Хокинг и Карр предположили существование первичных черных дыр, появившихся практически сразу после Большого взрыва.

На самом деле умирающая звезда не является обязательным условием для появления черной дыры — необходимо лишь большое количество энергии, втиснутое в очень маленький объем пространства. Сингулярность — возможная «стартовая» точка Большого взрыва — идеальное место для формирования черной дыры.

Недавно мы писали об охоте астрофизиков за этими древними созданиями — в этом деле им очень поможет революционный телескоп имени Джеймса Уэбба, который вот-вот отправится в космос. Если раньше исследователи натыкались исключительно на «обычные» черные дыры, то в последнее время они находят все больше объектов, которые не совсем соответствуют всем параметрам стандартных черных дыр.

Теория Хокинга и Карра не получила научного подтверждения, однако новое исследование международной команды ученых предполагает, что она имеет право на существование, если исправить несколько моментов. Доказательство существования первичных черных дыр не только изменит наше понимание Вселенной, но и поможет нам понять, откуда появилась темная материя. Работа будет опубликована в журнале The Astrophysical Journal, а сейчас она доступна на сервисе препринтов arXiv.

«Наше исследование показывает, как могла бы выглядеть ранняя Вселенная, если бы вместо неизвестных частиц темная материя была создана черными дырами, образовавшимися во время Большого взрыва, как и предполагал Стивен Хокинг в 1970-х», — говорит физик Нико Каппеллути из Университета Майами, который руководил работой ученых.

Теория ученых меняет существующую модель развития Вселенной. Если сейчас считается, что после Большого взрыва прошло около 300 млн лет до появления первых звезд, то первичные черные дыры могли бы повлиять своей гравитацией на более раннее формирование звезд и галактик. Таким образом, сами черные дыры получили бы больше времени, чтобы вырасти до размеров, которые мы можем обнаружить сегодня.

Каппеллути объясняет, что для науки это будет иметь сразу несколько важных последствий. Во-первых, ученые наконец смогут объяснить формирование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, когда, согласно стандартным космологическим моделям, у них не было времени для достаточной аккреции вещества и слияния со своими собратьями. Во-вторых, нам не понадобится изобретать «новую физику» — то есть, искать необнаруженные частицы, которые могли бы стать основой для существования темной материи. Исследователи считают, что именно первичные черные дыры могут быть ответственными за появление и распространение темной материи.

«Первичные черные дыры, если они действительно существуют, вполне могут быть семенами, из которых образуются все сверхмассивные черные дыры, включая и ту, что находится в центре Млечного Пути. Лично меня в этой идее больше всего захватывает то, как элегантно она объединяет две действительно сложные проблемы, над которыми я работаю, — задачу исследования природы темной материи и образования и роста черных дыр — и решает их», — говорит астрофизик из Йельского университета Приямвада Натаражан.

Подтвердить или опровергнуть догадки ученых сможет только время. Запуск космической обсерватории Джеймса Уэбба, который потенциально сможет зафиксировать самые первые звезды, появившиеся во Вселенной; миссия Евклид Европейского космического агентства, запланированная на 2023 год, целью которой является изучение темной материи и темной энергии; детектор гравитационных волн LISA, который заработает в 2030-х — все это техника нового поколения, которая прямо проверит предположения ученых и сможет показать, были ли правы они и Стивен Хокинг.