Первичные черные дыры заподозрили в разбрасывании и замещении звезд

В первые доли секунды после момента, называемого Большим взрывом, Вселенная была невероятно плотной. И неизбежные квантовые флуктуации приводили к неравномерностям ее плотности, что хорошо заметно по неоднородности реликтового излучения. Статистически какая-то часть этих колебаний плотности была достаточна для аккумуляции энергии в радиусе меньшем, чем необходимый для ее гравитационного коллапса. Так появились первичные (реже — первобытные) черные дыры (PBH). По крайней мере, должны были, согласно актуальным космологическим моделям.

Поскольку механизм образования первичных черных дыр подразумевает прямую аккумуляцию вещества, их размер может быть любым. В отличие от сравнительно узкого диапазона масс звездных черных дыр, которые могут быть в 5-50 (по другим расчетам — 150) раз тяжелее Солнца. Фактически физика не запрещает появления на ранних этапах существования Вселенной черных дыр массой легче нуклона — протона или нейтрона. Однако до наших дней они сохраниться не могли из-за «испарения» в результате излучения Хокинга. Считается, что PBH массой менее 10¹¹–10¹³ килограммов (сопоставимо с массой крупного астероида) по этой причине найти уже не получится.

Первичные черные дыры выше этого предела должны быть распространены, однако ни одну из них достоверно обнаружить пока не удалось. Точнее, черных дыр человечество нашло немало, а вот какие из них появились практически одновременно со Вселенной — вопрос открытый. Если ученым удастся подтвердить существование PBH во всех диапазонах масс и определить их распределение по космосу, это решит сразу множество открытых космологических вопросов.

Например, первичными черными дырами «астероидной» массы можно объяснить если не всю, то изрядную часть темной материи. Еще одна большая проблема — наличие в молодой Вселенной сверхмассивных черных дыр, формирующих вокруг себя галактики. Иными путями, кроме как прямой аккумуляцией вещества сразу после Большого взрыва, такие массивные объекты уже 13 миллиардов лет назад образоваться не могли. Обратная ситуация тоже привлекательна для астрофизиков: если PBH мало или вовсе не существует, это наложит четкие ограничения на физические процессы в ранней Вселенной.

Новая научная работа, препринт которой опубликован на портале arXiv, для поиска кандидатов в первичные черные дыры предлагает обратиться к двойным системам. Это не новая мысль, но ее авторы — сотрудники Оклахомского университета — изучили такие сценарии взаимодействия двойных и PBH, которые в более ранних публикациях исследователи еще не рассматривали. Согласно их выводам, для обнаружения и подтверждения статуса кандидата в первичную черную дыру достаточно уже имеющихся данных наблюдений различных обсерваторий. Максимум — потребуются некоторые уточнения. Главное, знать, куда смотреть.

Допустим, существует система из двух тел сопоставимой массы и она встречается с третьим телом примерно такой же массы. Возможны пять сценариев дальнейшего развития событий:

• Сжатие двойной системы (Hardening) — она отдает часть энергии третьему телу, которое продолжает свободное движение, а первые два сближаются;
• Расслабление двойной системы (Softening) — она забирает часть энергии третьего тела, которое продолжает свободное движение, а первые два отдаляются друг от друга;
• Разрушение двойной системы (Disruption) — она получает так много энергии третьего тела, что теряет стабильность и все участники взаимодействия продолжают свободное несвязанное друг с другом движение;
• Захват третьего тела двойной системой (Capture) — она расслабляется (первые два объекта удаляются друг от друга) и принимает в свой состав третье тело;
• Замена одного из тел двойной системы третьим (Exchange) — второе тело изначальной двойной системы отправляется в свободный полет.

Первый сценарий маловероятен по ряду физических ограничений, система, скорее всего, в итоге останется нестабильной и разрушится. По той же причине отбрасывается захват. Расслабление и разрушение рассматривались в более ранних публикациях, они плохо подходят для поиска первичных черных дыр, потому что такие события с участием PBH неотличимы от событий с участием других типов тел. А вот замена — весьма любопытный сценарий, на который обратили внимание исследователи в своей работе.

О популяции первичных черных дыр во Вселенной многое скажет количество и распределение в пространстве PBH массой между «астероидной» и «звездной». Такие объекты могут находиться в двойных системах со звездами, причем их свойства будет нехарактерны для «классических» астрофизических сценариев возникновения системы. В качестве примера авторы работы приводят систему Gaia BH1 — двойная из звезды и черной дыры звездной массы, обнаруженная миссией Gaia.

Оба объекта имеют сопоставимую массу и вращаются вокруг общего центра масс на расстоянии примерно трех астрономических единиц друг от друга. Черная дыра в этой системе не могла образоваться в результате взрыва сверхновой. Во-первых, на таком расстоянии это событие снесло бы всю атмосферу второй звезды системы. Во-вторых, в спектре сохранившейся звезды нет следов поглощения материи своего «погибшего» соседа.

Поиск таких танцующих с невидимыми партнерами звезд реалистичен при использовании уже имеющихся в арсенале астрономов инструментов. Более того, подобные двойные системы вполне возможно найти в архивных данных наблюдений. Исследователи предлагают простой алгоритм для анализа: на первом этапе подтвердить, что второй объект — действительно черная дыра звездной массы, а на втором — проверить, возможно ли существование такой черной дыры конкретно в этой системе согласно «обычным» сценариям их возникновения.

Расчеты в новой работе показывают, что замещение одной из звезд двойной системы первичной черной дырой — событие с высокой вероятностью. Не настолько высокой, чтобы астрономам повезло их наблюдать напрямую, но достаточной для существования подобных двойных систем в больших количествах. Более того, сама рассчитанная авторами механика возможна и для PBH любых размеров. То есть вполне вероятно существование большого количества планетных и даже астероидных двойных систем, в которых один компонент — черная дыра. Правда, такие объекты человечество еще долго будет не способно обнаруживать.