Детектор гравитационных волн обнаружил темную материю

Когда астрономическая обсерватория обнаружила две черных дыры, сталкивающихся в глубоком космосе, ученые отметили подтверждение предсказанных Эйнштейном гравитационных волн. Но на этом астрофизики не успокоились: мог ли этот эксперимент найти «темную материю», которая составляет большую часть массы Вселенной?

Восемь ученых с кафедры физики и астрономии Генри Роуленда при Университета Джона Хопкинса уже начали проводить расчет, когда в феврале обсерватория LIGO заявила об открытии гравитационных волн. Их результаты, опубликованные недавно в Physical Review Letters, предлагают гипотезу, которая может разрешить непобедимую тайну астрофизики.

«Мы считаем, что существует возможность, что бинарные черные дыры, обнаруженные LIGO, могут быть сигнатурой темной материи, — пишут ученые в выдержке из статьи, называя пару черных дыр «бинарностью». Ученые рассмотрели массу двух этих объектов, обнаруженных LIGO, в качестве отправной точки, предполагая, что объекты могут быть частью загадочной субстанции, из которой состоит 85% массы Вселенной.

С 1930-х годов темная материя остается предметом ожесточенных научных споров; к 1970-м годам свидетельства ее существования, хотя и косвенные, начали всплывать повсюду. В то время как саму темную материю мы пока не можем обнаружить, ее гравитационные эффекты — вполне. К примеру, влияние близлежащей темной материи, как полагают, объясняет несоответствия во вращении видимого вещества в галактиках.

Группа Джона Хопкинса во главе с постдокторантом Симеоном Бердом была поражена массой черных дыр, обнаруженных LIGO. Масса черных дыр измеряется в значении, кратному нашему Солнцу. Сталкивающиеся объекты, породившие гравитационную волну, зафиксированную LIGO, были 36 и 29 солнечных масс соответственно. Они слишком большие, чтобы соответствовать предсказаниям масс для большинства черных дыр, сверхплотных структур, которые образуются при коллапсе звезд. Они также слишком малы, чтобы соответствовать предсказаниям для размера сверхмассивных черных дыр в центре галактик.

Два обнаруженных LIGO объекта, однако, входят в ожидаемый диапазон масс «первичных» черных дыр.

Первичные черные дыры, как полагают, образовались не из звезд, а в процессе коллапса крупных объемов газа во время рождения Вселенной. Хотя их существование не было установлено наверняка, в прошлом первичные черные дыры предлагались в качестве возможного решения тайны темной материи. И поскольку о них практически ничего не известно и никаких свидетельств их существования нет, гипотеза первичных черных дыр из темной материи не привлекала особого внимания ученых.

Находки LIGO, впрочем, возвращают нас к этой гипотезе, особенно из-за того, что обнаруженные объекты в рамках этого эксперимента соответствуют массе, предсказанной для темной материи. Прогнозы, сделанные учеными в прошлом, говорят, что условия во время рождения Вселенной должны были породить множество таких первичных черных дыр, равномерно распределенных во Вселенной, собирающихся в гало вокруг галактик. Все это делает их хорошими кандидатами для темной материи.

Команда Джона Хопкинса подсчитала, как часто эти первичные черные дыры могут образовывать бинарные пары и в конце концов сталкиваться. Принимая во внимание размер и вытянутую форму, присущую (как полагают) орбитам первичных бинарных черных дыр, ученые пришли к выводам, что частота столкновений соответствует выводам LIGO.

«Мы не говорим, что это темная материя, — говорит один из авторов Марк Камионковский. — Мы бы не поставили на это дом. Мы говорим лишь о возможности».

Для поддержки этой гипотезы необходимы другие наблюдения LIGO и прочие доказательства, включая дальнейшие обнаружения вроде того, о котором заявили в феврале. Может статься так, что объектов с такой показательной массой гораздо больше.

«События в 30 масс нуждаются в объяснении, — говорит соавтор Илай Коветц. — Это открытие гравитационных волн может быть связано с темной материей. У него большой потенциал».