«Это исследование — попытка собрать воедино широкий набор идей и наблюдений, чтобы проверить, насколько хорошо они подходят, и совпадение на удивление хорошее», — сказал Александр Кашлинский, астрофизик из НАСА Годдард. «Если это так, то все галактики, включая нашу, заключены в огромную сферу черных дыр, каждая из которых примерно в 30 раз больше массы Солнца».В 2005 году Кашлинский возглавил группу астрономов с помощью космического телескопа НАСА Спитцер, чтобы исследовать фоновое свечение инфракрасного света в одной части неба. Исследователи сообщили о чрезмерной неоднородности свечения и пришли к выводу, что это, вероятно, было вызвано совокупным светом первых источников, освещавших Вселенную более 13 миллиардов лет назад.
Последующие исследования подтвердили, что этот космический инфракрасный фон (CIB) показал аналогичную неожиданную структуру в других частях неба.В 2013 году в другом исследовании сравнивалось, как космический рентгеновский фон (CXB), обнаруженный рентгеновской обсерваторией НАСА Чандра, сравнивался с CIB в той же области неба.
Первые звезды излучали в основном оптический и ультрафиолетовый свет, который сегодня расширяется до инфракрасного диапазона из-за расширения пространства, поэтому они не должны вносить значительный вклад в CXB.И все же нерегулярное свечение низкоэнергетических рентгеновских лучей в CXB довольно хорошо соответствовало неоднородности CIB.
Единственный известный нам объект, который может быть достаточно ярким в этом широком диапазоне энергий, — это черная дыра. Исследовательская группа пришла к выводу, что первичные черные дыры, должно быть, были в изобилии среди самых ранних звезд, составляя по крайней мере один из каждых пяти источников, способствующих CIB.Природа темной материи остается одним из важнейших нерешенных вопросов астрофизики. В настоящее время ученые отдают предпочтение теоретическим моделям, объясняющим темную материю как экзотическую массивную частицу, но до сих пор поиски не смогли найти доказательств того, что эти гипотетические частицы действительно существуют.
НАСА в настоящее время исследует этот вопрос в рамках своих миссий альфа-магнитного спектрометра и космического гамма-телескопа Ферми.«Эти исследования дают все более чувствительные результаты, постепенно сужая рамки параметров, в которых могут скрываться частицы темной материи», — сказал Кашлинский. «Неспособность найти их привела к возобновлению интереса к изучению того, насколько хорошо первичные черные дыры — черные дыры, образовавшиеся за первые доли секунды — могут работать как темная материя».Физики наметили несколько способов, которыми горячая, быстро расширяющаяся Вселенная может создавать первичные черные дыры в первые тысячные секунды после Большого взрыва. Чем старше Вселенная, когда действуют эти механизмы, тем больше могут быть черные дыры.
А поскольку окно для их создания длится лишь крошечную долю первой секунды, ученые ожидают, что первичные черные дыры будут иметь узкий диапазон масс.14 сентября гравитационные волны, создаваемые парой сливающихся черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас, были захвачены объектами гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO) в Хэнфорде, Вашингтон, и Ливингстоне, Луизиана. Это событие ознаменовало первое в истории обнаружение гравитационных волн, а также первое прямое обнаружение черных дыр.
Этот сигнал предоставил ученым LIGO информацию о массах отдельных черных дыр, которые в 29 и 36 раз превышают массу Солнца плюс-минус около четырех масс Солнца. Эти значения были неожиданно большими и удивительно похожими.
«В зависимости от действующего механизма первичные черные дыры могут иметь свойства, очень похожие на то, что обнаружил LIGO», — пояснил Кашлинский. «Если мы предположим, что это так, что LIGO обнаружил слияние черных дыр, образовавшихся в ранней Вселенной, мы можем посмотреть на последствия этого для нашего понимания того, как в конечном итоге эволюционировал космос».В своей новой статье, опубликованной 24 мая в The Astrophysical Journal Letters, Кашлинский анализирует, что могло бы произойти, если бы темная материя состояла из совокупности черных дыр, подобных тем, которые были обнаружены LIGO.
Черные дыры искажают распределение массы в ранней Вселенной, добавляя небольшое колебание, которое имеет последствия сотни миллионов лет спустя, когда начинают формироваться первые звезды.На протяжении большей части первых 500 миллионов лет существования Вселенной нормальное вещество оставалось слишком горячим, чтобы слиться в первые звезды. На темную материю не повлияла высокая температура, потому что, независимо от ее природы, она в первую очередь взаимодействует через гравитацию.
Агрегируясь за счет взаимного притяжения, темная материя сначала коллапсировала в сгустки, называемые мини-ореолами, которые обеспечивали гравитационное зерно, позволяющее накапливать нормальную материю. Горячий газ коллапсировал к мини-ореолам, в результате чего образовывались газовые карманы, достаточно плотные, чтобы в дальнейшем коллапсировать самостоятельно в первые звезды. Кашлинский показывает, что, если черные дыры играют роль темной материи, этот процесс происходит быстрее и легко приводит к появлению комковатости CIB, обнаруженной в данных Спитцера, даже если только небольшая часть мини-ореолов может образовывать звезды.Когда космический газ попадал в мини-ореолы, составляющие их черные дыры, естественно, тоже захватили бы его часть.
Материя, падающая в черную дыру, нагревается и в конечном итоге производит рентгеновские лучи. Вместе инфракрасный свет от первых звезд и рентгеновские лучи от газа, падающего в черные дыры темной материи, могут объяснить наблюдаемое согласие между неоднородностью CIB и CXB.Иногда некоторые первичные черные дыры проходят достаточно близко, чтобы их гравитационно захватить в двойные системы. Черные дыры в каждой из этих двойных систем в течение эонов будут испускать гравитационное излучение, терять орбитальную энергию и двигаться по спирали внутрь, в конечном итоге сливаясь в большую черную дыру, как в случае, наблюдаемом LIGO.
«Будущие сеансы наблюдений LIGO расскажут нам гораздо больше о населении черных дыр во Вселенной, и скоро мы узнаем, поддерживается или исключен описанный мной сценарий», — сказал Кашлинский.Кашлинский возглавляет научную группу с центром в Годдарде, которая участвует в миссии Евклида Европейского космического агентства, запуск которой в настоящее время запланирован на 2020 год.
Проект под названием LIBRAE позволит обсерватории с высокой точностью исследовать популяции источников в CIB и определять, какие часть была произведена черными дырами.