Overclockers.ru: Вселенная может изобиловать огромными кластерами из первичных черных дыр, считают ученые

Могут ли крошечные черные дыры объяснить существование темной материи? NASA/JPL-Caltech

В самой ранней Вселенной все было настолько плотным, что излучение, заполнявшее космос, могло схлопнуться и породить первичные черные дыры. И если эти черные дыры уцелели, со временем они могли стать гораздо меньше - а значит, их труднее обнаружить, - чем черные дыры, образовавшиеся "обычным способом", например, в результате коллапса гигантской звезды.

Пытаясь понять, как могли эволюционировать подобные кластеры, Хуан Гарсия-Беллидо из Мадридского автономного университета (Испания) и его коллеги создали более 5000 компьютерных симуляций.

Ученые обнаружили, что в настоящее время скопления черных дыр - каждая из которых имеет массу, примерно равную массе Солнца, и диаметр всего несколько километров - могут простираться на тысячи световых лет. В результате гравитационного взаимодействия черные дыры могут выбрасываться из скопления со скоростью более 1000 километров в секунду. (arxiv.org/abs/2006.15018).

Хотя это и предполагает существование труднообнаруживаемых черных дыр, несущихся в космическом пространстве на огромной скорости, Гарсия-Беллидо говорит, что причин для беспокойства нет. «Вероятность того, что какая-то черная дыра, вылетевшая из одного из таких кластеров, может в ближайшее время столкнуться с Солнечной системой, составляет один к многим, многим миллиардам триллионов», - говорит эксперт.

Исследователи пришли к выводу, что скопления черных дыр и свободные черные дыры, которые они отправляют в полет по Вселенной, по своей природе очень похожи на темную материю - загадочную субстанцию, о существовании которой мы можем судить только по ее гравитационному воздействию на окружающие объекты. 

Это означает, что если первичные черные дыры существуют, то они могут помочь решить давний вопрос о том, из чего состоит темная материя, говорит Гарсия-Беллидо.

Аннотация

Понимание природы темной материи остается одним из ключевых вопросов теоретической физики и космологии и привело к появлению множества моделей, начиная от слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), стерильных нейтрино, аксионов, модификаций гравитации типа MOND и заканчивая первичными черными дырами (ПЧД)

В данном исследовании авторы сосредоточились на ПЧД, поскольку они представляют собой систему, связывающую физику раннего и позднего времени, и остаются наиболее вероятным кандидатом на темную материю (ТМ). В данном контексте ПЧД не только играют роль ТМ, но и могут влиять на темную энергию (ТЭ) в более позднем периоде, поскольку, испаряясь передают энергию и ведут себя как уравнение состояния ТЭ, зависящее от времени. ПЧД также могут вызывать неадиабатическое возмущение темной энергии.

В данной работе, ученые сосредоточились на изучении эволюции ПЧД в кластерах, "поскольку это один из краеугольных камней в нашем понимании формирования структур в малых масштабах, а также способ решения классических ограничений ПЧД". Кроме того, ПЧД характеризуются уникальными признаками, которые могут быть обнаружены современными и будущими детекторами гравитационное излучение (ГВ), такими как AdvLIGO и LISA.Координаты (а) и скорости (b) ПЧД-скопления. И положения, и скорости соответствуют выборке изотропного максвелловско-больцмановского распределения. Обратите внимание, что в начальный момент времени между массами и положениями (координатами) не наблюдается корреляции, то есть более массивные ПЧД пока не скапливаются в барицентрах кластера.

В частности, близкие гиперболические встречи ПЧД в плотных скоплениях, испускают всплески радиоволн миллисекундной длительности, которые могут быть обнаружены в зависимости от интенсивности и пиковой частоты излучения, а также скорости и распределения ПЧД.

Выяснилось, что ПЧД могут являться жизнеспособным кандидатом на ТМ, кластеризация которых предлагает богатую феноменологию. Эксперты количественно оценили стабильность и скорость испарения ПЧД-кластеров, вычислили количество черных дыр, которые остаются в скоплении, и тех, которые выбрасываются из него в "космос", а также долю тех, которые появляются в гравитационно-связанных подсистемах или сливаются друг с другом

Астрофизки пришли к выводу, что эти ПЧД-кластеры довольно стабильны и доживают до наших дней. Как правило, они сохраняют около трети своей первоначальной массы, а остальные две трети переходят в фоновую эжекцию, обеспечивая более-менее равномерное пространственное распределение как свободных ПЧД, так и ядер исходных ПЧД-кластеров с широким диапазоном масс.

В частности, было обнаружено, что в результате раздувания и испарения скоплений образуются субгало ПЧД радиусом ≈1 килопарсек, в которых содержится около 36% объектов и масс, с ядрами ≈100 парсек. Также, было установлено, что такие ПЧД-субгало распределены внутри более крупных гало радиусом ≈100кпк, содержащих около 63% объектов и массы, что совпадает с размерами галактических гало.

Эксперты вычислили пространственные распределения динамических параметров скоплений и выбросов, а также профили массы, положения, скорости и плотности и пришли к выводу, что они соответствуют профилю холодного компонента темной материи. "Любопытно" - пишут ученые, - "что в настоящее время скопления перекрываются настолько, что их внешние слои действительно находятся в контакте друг с другом, сохраняя при этом отдельные ядра, имеющие размеры, сравнимые с масштабами карликовых галактик и шаровых скоплений. Интересен и тот факт, что после слияния множества различных эжекционных пузырей эжекционный фон имеет масштабы, сравнимые с галактическими гало среднего размера. "

Затем астрофизики определили пространственно-параметрические распределения кластеров ПЧД по орбитам и выбросов в определенные моменты времени, а также сегрегацию на связанные и несвязанные ПЧД и изучили их эволюцию. Оказалось, что профили орбитального эксцентриситета и полубольшой оси (радиус самой длинной части эллиптической орбиты) совместимы с современными наблюдениями, и что существует большое количество переходных бинарных скоплений, разрушенных третьими столкновениями, а также стабильных эжектирующих бинарных скоплений, которые могут быть причиной событий, обнаруженных LIGO.

В заключение ученые рассчитали спектр мощности вероятных гиперболических столкновений между двумя близкими ПЧБ-кластерами. В целом, пишут авторы, неоднородно распределенные ПЧД-кластеры являются хорошим кандидатом на холодную, почти бесстолкновительную темную материю, что согласуется с астрофизическими наблюдениями распределения ТМ и воспроизводит черты, которыми должен обладать хороший кандидат на ТМ, на протяжении всей истории Вселенной, начиная с эры вещества.

Профиль начальной массы и пример реализации на основе среднего логарифмического значения 𝜇m=2,0M⊙ и отклонения 𝜎m=1,5M⊙. Толстые, обычные и тонкие серые линии обозначают моду, медиану и среднее значение распределения, соответственно. Оранжевая и красная линии обозначают медиану и среднее значение реализации, соответственно. Обратите внимание на большую иерархию между модальной, медианной и средней массами из-за большого (𝑚→∞) фрагмента распределения, искажающего среднее значение в сторону больших величин, что приводит к большой дисперсии общей массы на реализацию. Общая масса ПЧД-кластера составляет =2,19×104M⊙.

Ученые считают, что этот эксперимент может быть расширен за счет других способов. Например, важным ограничением в настоящем анализе является то, что авторы не учитывали гравитационное излучение от ПЧД. В будущем это может быть решено путем дополнительных уравнений движения до более высокого порядка в постньютоновском расширении. Другая возможность - провести моделирование с изменяющимся и большим числом ПЧД в симуляции. Это позволит изучить более реалистичные скопления различных размеров и масс.