Гокінг мав рацію? «Елегантна» теорія астрофізиків припускає, що темна матерія з’явилася з найдавніших чорних дір

Вважається, що темна матерія є основою найбільшої структури Всесвіту — космічного павутиння. Саме на цих переплетеннях «павутинок» і формуються галактики.

Вченим важко відповісти, звідки з’явилася темна матерія і що саме утримує її в просторі. Фактично гіпотеза про її існування будується на тому, що нам потрібне щось, що створювало б той гравітаційний баланс, який нині панує у Всесвіті.

Раніше ми писали, що вчені виявили докази існування аксіонів — загадкових частинок, з яких теоретично складається темна матерія. Якщо їх спостереження підтвердяться, ми отримаємо найсерйозніший доказ наявності темної матерії у Всесвіті.

Однак є ще одна інтригуюча гіпотеза, яка розвиває теорію Стівена Гокінга та Бернарда Карра. Однак для того, щоб пірнути в ці дослідження, давайте спочатку швидко розберемося, звідки з’являються чорні дірки відповідно до загальноприйнятої моделі.

Вчені вважають, що практично всі чорні дірки з’явилися після смерті досить потужних зірок. Коли термоядерне паливо зірки повністю вигоряє, вона починає остигати і стискатися під дією гравітації, фактично поглинаючи сама себе. Це може супроводжуватися досить барвистим процесом — спалахом наднової, коли зірка збільшує свою світність у мільярди разів, виділяючи величезну кількість енергії.

Відповідно, для появи перших чорних дір мало минути достатньо часу, щоб у Всесвіті спочатку сформувалися перші зірки — згідно з останніми оцінками, близько 250−300 млн років після Великого вибуху. Ще кілька мільйонів років довелося б почекати, поки досить масивна зірка спалить усі свої запаси палива — і лише тоді у Всесвіті з’явилися б перші чорні діри.

Однак у 1971 році Гокінг і Карр припустили існування первинних чорних дір, що з’явилися майже відразу після Великого вибуху.

Насправді зірка, що вмирає, не є обов’язковою умовою для появи чорної діри — необхідна лише велика кількість енергії, втиснута в дуже маленький обсяг простору. Сингулярність — можлива «стартова» точка Великого вибуху — ідеальне місце для формування чорної діри.

Нещодавно ми писали про полювання астрофізиків за цими стародавніми створіннями — у цій справі їм дуже допоможе революційний телескоп імені Джеймса Вебба, який от-от поїде до космосу. Якщо раніше дослідники натикалися виключно на «звичайні» чорні діри, то останнім часом вони знаходять все більше об'єктів, які не зовсім відповідають усім параметрам стандартних чорних дір.

Теорія Гокінга та Карра не отримала наукового підтвердження, проте нове дослідження міжнародної команди вчених припускає, що вона має право на існування, якщо виправити кілька моментів. Доказ існування первинних чорних дір не лише змінить наше розуміння Всесвіту, а й допоможе нам зрозуміти, звідки з’явилася темна матерія. Роботу буде опубліковано в журналі Astrophysical Journal, а зараз вона доступна на сервісі препринтів arXiv.

«Наше дослідження показує, як міг би виглядати ранній Всесвіт, якби замість невідомих частинок темна матерія була створена чорними дірами, що утворилися під час Великого вибуху, як і припускав Стівен Гокінг у 1970-х», — говорить фізик Ніко Каппеллуті з Університету Майамі, який керував роботою вчених.

Теорія вчених змінює існуючу модель розвитку Всесвіту. Якщо зараз вважається, що після Великого вибуху минуло близько 300 млн. років до появи перших зірок, то первинні чорні діри могли б вплинути своєю гравітацією на раннє формування зірок і галактик. Отже, самі чорні діри отримали б більше часу, щоб зрости до розмірів, які ми можемо знайти сьогодні.

Каппеллуті пояснює, що для науки це матиме одразу кілька важливих наслідків. По-перше, вчені нарешті зможуть пояснити формування надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті, коли, згідно зі стандартними космологічними моделями, у них не було часу для достатньої акреції речовини та злиття зі своїми побратимами. По-друге, нам не доведеться винаходити «нову фізику» — тобто шукати невиявлені частинки, які могли б стати основою існування темної матерії. Дослідники вважають, що саме первинні чорні діри можуть бути відповідальними за появу та розповсюдження темної матерії.

«Первинні чорні діри, якщо вони дійсно існують, цілком можуть бути насінням, з якого утворюються всі надмасивні чорні діри, включаючи і ту, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху. Особисто мене в цій ідеї найбільше захоплює те, наскільки елегантно вона об'єднує дві справді складні проблеми, над якими я працюю, — завдання дослідження природи темної матерії та утворення й зростання чорних дір — і вирішує їх», — каже астрофізик із Єльського університету Пріямвада Натаражан.

Підтвердити чи спростувати здогади вчених зможе лише час. Запуск космічної обсерваторії Джеймса Вебба, який потенційно зможе зафіксувати перші зірки, що з’явилися у Всесвіті; місія Евклід Європейського космічного агентства, запланована на 2023 рік, метою якої є вивчення темної матерії та темної енергії; детектор гравітаційних хвиль LISA, який запрацює в 2030-х — все це техніка нового покоління, яка прямо перевірить припущення вчених і зможе показати, чи мали рацію вони та Стівен Гокінг.