Відкриття гравітаційних хвиль дало астрономам новий спосіб спостережень Всесвіту і нове дослідження показує, як ці брижі в тканині простору-часу можуть підтвердити або виключити існування чорних дір певного типу. Результати науковців, оприлюднені журналом Physical Review Letters, показують — експерименти з гравітаційними хвилями можна використати для перевірки гіпотези існування первинних чорних дір — джерел гравітації, що виникли лише через декілька хвилин після Великого Вибуху. На думку деяких науковців ці об’єкти є темною матерією.
«Ми дуже добре знаємо, що чорні діри можуть утворюватися внаслідок колапсу великих зір або, як ми нещодавно бачили, злиття двох нейтронних зір» — зауважив Саввас Кушяппас (Savvas Koushiappas), доцент кафедри фізики Університету Брауна та співавтор дослідження разом з Аві Лебом (Avi Loeb) з Гарвардського університету. «Але було висунуто гіпотезу, що можуть існувати чорні діри, які утворилися в дуже ранньому Всесвіті, коли ще не було зір. Саме про них наше дослідження».
Ідея полягає в тому, що незабаром після Великого Вибуху квантові механічні коливання (флуктуації) привели до розподілу щільності речовини, яке ми спостерігаємо нині у Всесвіті. Було висловлено припущення, що деякі з цих флуктуацій густини могли бути досить великими, щоб спричинити появу чорних дір всюди у Всесвіті. Ідею про ці так звані первинні чорні діри вперше запропонували на початку 1970-х років Стівен Гокінг та його співавтори, але їх ніколи не спостерігали — досі незрозуміло, чи вони взагалі існують.
Уявлення художника про злиття двох чорних дір. Фото з сайту NASA.
Спроможність виявляти гравітаційні хвилі, як показала нещодавно Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO), має потенціал, щоб пролити нове світло на цю проблему. Такі експерименти реєструють пульсації в тканині простору-часу, пов’язані з гігантськими астрономічними подіями, такими як зіткнення двох чорних дір. LIGO вже кілька разів зафіксувала злиття чорних дір, а майбутні експерименти зможуть виявити події, що відбулися значно раніше в часі.
«Ідея дуже проста» — сказав Кушяппас. «Завдяки майбутнім експериментам з гравітаційними хвилями ми зможемо спостерігати Всесвіт до часу формування в ньому перших зір. Отже, якщо ми побачимо злиття чорних дір, коли ще не існували зорі, то ми будемо знати, що ці чорні діри не зоряного походження».
Космологи вимірюють як далеко в часі відбулася подія з використанням червоного зміщення — збільшення довжини хвилі світла, спричиненого розширенням Всесвіту. Події, що відбуваються раніше, пов’язані з більшими червоними зміщеннями. Кушяппас та Леб знайшли червоне зміщення, на якому чорні діри, які злилися в одне ціле, мають не зоряне походження.
Дослідники показали, якщо значення червоного зміщення дорівнює 40 (це відповідає приблизно 65 мільйонам років після Великого Вибуху), то явища злиття чорних дір, припускаючи їх зоряне походження, мають траплятися не більше одного разу протягом року. При червоних зміщеннях понад 40, такі явища мають зникнути взагалі.
«Це справді “точка останньої події” (drop-dead point)» — зауважив Кушяппас. «Насправді, ми очікуємо, що подій злиття не буде задовго до цього моменту, але червоне зміщення 40 або близько нього є абсолютно жорсткою межею або кінцевою точкою».
Значення червоного зміщення 40 можна досягти за кілька реєстрацій гравітаційних хвиль. І якщо буде виявлено події злиття, що лежать за межами цього значення, то це означатиме, як вважають Кушяппас та Леб, одне з двох: або первинні чорні діри таки існують, або ранній Всесвіт розвивався за сценарієм, що сильно відрізняється від стандартної космологічної моделі. У будь-якому разі це буде дуже важливим відкриттям, кажуть дослідники.
Наприклад, первинні чорні діри відносять до категорії об’єктів, відомих як MACHO (Massive Compact Halo Objects, масивні компактні об’єкти гало). Деякі науковці припускають, що темна матерія — невидима субстанція, що, як вважають, становить більшу частину маси Всесвіту, — може бути у вигляді MACHO, тобто первинними чорними дірами. Їх виявлення зміцнить цю ідею, а невиявлення — поставить під сумнів.
Єдине інше можливе пояснення злиття чорних дір при червоних зміщеннях понад 40 означає, що Всесвіт — «не гаусіан». У стандартній космологічній моделі флуктуації матерії в ранньому Всесвіті описуються розподілом імовірності Гауса. Виявлення злиття може означати, що коливання матерії не відповідають цьому розподілу.
«Щоб довести, що Всесвіт “не гаусіан”, потрібна нова фізика, що буде великою справою» — сказав Леб.
За інф. з сайту www.sciencedaily.com підготував Іван Крячко
