Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-18-2
Гравитационные волны укажут на существование первичных черных дыр

Декабрь 2017

Черные дыры не могли образоваться по стандартному сценарию (в результате коллапса материи) раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z = 40), утверждают двое физиков из Гарварда. Поэтому если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с бóльшим красным смещением, это будет практически однозначным свидетельством в пользу существования первичных черных дыр. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Согласно стандартному сценарию, черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса крупной звезды. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной звезды начали появляться только спустя 150-500 миллионов лет после Большого взрыва (эпоха реионизации), то есть до момента реионизации черные дыры не должны были возникать. С другой стороны, в ранней Вселенной вещество было очень горячим и неоднородным, и черные дыры могли появляться просто из-за колебаний его плотности. Такие черные дыры называются первичными. Отдаленно возникновение первичных черных дыр напоминает кипение абсолютно чистой воды, в которой пузырьки могут возникать только из-за колебаний плотности жидкости.

Но наблюдать черные дыры непосредственно очень сложно, поскольку свет не может покинуть их окрестности. Поэтому в основном их ищут, оценивая гравитационное влияние на находящиеся рядом тела. Для первичных черных дыр этот способ, очевидно, работать не будет, но есть и другие способы заметить черные дыры. Например, система, состоящая из двух черных дыр, со временем коллапсирует в одну более массивную дыру, излучая при этом гравитационные волны. По этим волнам можно примерно установить красное смещение исходной системы (то есть момент, в который произошло слияние) и массу дыр. На данный момент коллаборация LIGO зарегистрировала пять событий, отвечающих слиянию двух черных дыр, а за разработку детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну присудили Нобелевскую премию.

Физики Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) оценили, насколько часто мы должны регистрировать слияния черных дыр в зависимости от их красного смещения. Для этого ученые использовали стандартную космологическую модель и считали, что звезды и черные дыры образуются из вещества, пойманного в гало темной материи. При этом масса гало должна превышать некоторый предел, чтобы холодный молекулярный водород начал сжиматься и превращаться в звезды.

В результате оказалось, что чем больше красное смещение, тем реже образуются черные дыры (по стандартному сценарию), и тем реже мы должны регистрировать их слияния, а начиная со смещения z = 40 регистраций быть вообще не должно. В более древние времена вещество не могло коллапсировать в дыры, и сливаться было просто нечему. С другой стороны, в те времена могли образоваться первичные черные дыры, и если мы поймаем волны с бóльшим красным смещением, это будет аргументом в пользу их существования.

_{nplus1.ru, 4 декабря 2017, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2017/12/04/black-waves}

_{Журнал Physical Review Letters. 2017}

_{Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb)}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.221104}