Возрождение MACHO может решить проблему темной материи, но заставит пересмотреть космологию

Проблема темной материи появилась в науке очень давно. Еще в 1884 году лорд Кельвин отметил: звезды во внешних областях диска нашей Галактики вращаются вокруг ее центра куда быстрее, чем «положено» по расчетам. Чтобы расчеты совпали с реальностью, за пределами диска (то есть на темной галактической окраине, где уже нет звезд) должны лежать какие-то огромные массы. Кельвин не дал им имя, зато это сделал французский математик Анри Пуанкаре. Именно он в 1906 году, описывая идею Кельвина, впервые употребил словосочетание «темная материя».

С тех пор прошло 114 лет, но прогресс в области понимания этой самой темной материи не слишком заметен. Мы накопили массу данных по другим галактикам – и там везде та же картина, что и у нас. Какие-то огромные массы на окраинах «раскручивают» звезды с периферии галактик. «Огромные» – это не преувеличение, а констатация факта: наблюдательные данные позволили установить, что темной материи в общей массе Вселенной 26,5%, а обычной – из которой состоят звезды, планеты и мы – примерно 5%. Но из чего складываются «огромные массы» – все еще неизвестно.

Слишком таинственный убийца: потенциально опасные вимпы маскируются так хорошо, что даже неизвестно – существует ли

Возникает вопрос: а какова практическая значимость этой проблемы? Что простому землянину от того, как она решается?

Как ни странно, от ответа на него зависит… ваша вероятность заболеть, в том числе, например, раком. Все дело в том, что до середины 2010-х годов самым популярным кандидатом на роль темной материи были WIMP, сокращение от Weakly Interacting Massive Particles, «слабовзаимодействующие массивные частицы» («wimp» – по-английски «слабак»). В рамках такой гипотезы частицы темной материи крайне слабо взаимодействуют с материей обычной: в основном – гравитационно.

Но, как показал ряд расчетов, в том числе российских ученых, при всей слабости негравитационного взаимодействия, вимпов должно быть настолько много, что они неизбежно и систематически будут проходить через тело человека хотя бы раз в сутки (и, в теории, могут делать это намного чаще). По расчетам, при определенных параметрах вимпов это может повреждать ДНК в клетках человеческого тела – вплоть до появления рака.

К счастью, пока физикам не удалось найти ни малейших следов вимпов ни в одном из экспериментов, проведенных на Земле. Более того: по итогам этих экспериментов сечение этих гипотетических частиц должно быть настолько мало (до 4,1 × 10−47 см2), что вообще не ясно, может ли частица таких «размеров» существовать. Точно ясно, что ни одна известная частица по сечению даже не приближается к чему-то настолько крохотному.

Как отмечает астрофизик Итан Зигель, проблема еще глубже: даже если предположить, что частица с таким сечением могла бы существовать, по расчетам ее должно быть решительно недостаточно, чтобы объяснить всю темную материю.

Конечно, сторонники гипотезы вимпов на этом не остановились. Как иронизирует Зигель: «Теоретики всегда могут «подкрутить» свои модели, и делали так множество раз – двигая ожидаемое сечение вимпов все ниже и ниже, после того как эксперименты приносили один нулевой результат за другим. Это худший вид науки, которым можно заниматься… У такого занятия нет никакой мотивации, кроме попыток подкрепить идею, которую реальные данные исключают». Поиски вимпов на дорогостоящих детекторах по всему миру еще идут, но, продолжает Зигель:

Самый вероятный результат поисков вимпов на сегодня – еще многие годы экспериментов, в результате которых никаких вимпов никто не найдет. Остается надеяться, что попутно при этом поймают и что-то реально существующее.

Но все это не снимает практических вопросов. Если вимпов нет, может ли быть так, что темная материя состоит из каких-то иных, не менее, а то и более опасных частиц? Или вообще не частиц?

Без частиц: чем MACHO отличаются от вимпов

Мы не будем здесь перечислять альтернативные вимпам гипотезы, основанные на гипотетических частицах (типа аксионов), по двум причинам: а) тогда у нас вышла бы книга, а не статья; б) экспериментальных подтверждений таким альтернативным частицам нет, а теоретические предпосылки за ними еще слабее, чем у вимпов.

Обратимся сразу к главному блюду: MACHO. Это сокращение означает Massive compact halo object (массивный компактный объект гало галактик). Гало галактики вы можете видеть на иллюстрации ниже – это сферическое облако материи, простирающееся далеко за пределы видимого галактического диска, причем не только «в стороны» от самого диска, но и «вверх» и «вниз» от него.

MACHO – это не некие гипотетические частицы, а просто очень плотные и темные объекты. Главными кандидатами в них считают черные дыры и нейтронные звезды. До самого последнего времени предполагалось, что такие объекты не могут отвечать за основную часть темной материи по трем причинам.

Во-первых, астрономические наблюдения не показывали достаточной частоты гравитационного линзирования. Черная дыра – очень массивный компактный объект, и если он окажется между земным телескопом и далекой звездой, то получится гравилинза: свет удаленной звезды заметно усилится, причем со временем линзирование ослабнет (ЧД «уйдет» в стороны от линии между Землей и далекой звездой). Число наблюдаемых гравилинз на практике таково, что накладывает серьезные ограничения на число объектов типа MACHO. Их не может быть слишком много – а значит, объяснить ими всю темную материю нельзя.

Во-вторых, Большой взрыв мог произвести только определенное количество обычной, барионной материи – а ведь и черные дыры, и нейтронные звезды происходят именно от такой материи. По расчетам, если бы Большой взрыв породил треть от наблюдаемой массы Вселенной, то соотношение изотопов в наблюдаемых звездах было бы совсем не таким, как сегодня.

Есть еще и «в-третьих»: черные дыры и нейтронные звезды получаются только из массивных обычных звезд в конце их жизненного пути. Например, из Солнца никакой ЧД или НЗ никогда не выйдет: масса не та. Проблема в том, что светила достаточно массивные, чтобы в конце жизни схлопнуться в нейтронную звезду или черную дыру, встречаются не редко, а сверхредко: их менее 1% от общего числа звезд. По оценкам ученых, лишь одна звезда из тысячи в ходе своей эволюции превращается в черную дыру.

Напомним: темной материи в 5,3 раза больше, чем обычной, «светлой» (то есть звезд, межзвездного газа и планет). Как это возможно, если все MACHO порождены лишь одной тысячной частью всех «светлых» звезд? Кандидатов на превращение в MACHO во Вселенной банально слишком мало: они не могли бы обеспечить существование огромных масс темной материи.

В итоге до 2016 года астрономы считали, что хотя MACHO и существуют, но роль их очень скромна. Помогало такому видению и ожидание скорого открытия вимпов – ожидание, которому так и не суждено было подтвердиться.

Переворот в гравитационной астрономии: реванш MACHO

В 2016 году все резко изменилось. Произошло это благодаря активной работе американского детектора гравитационных волн LIGO. За несколько лет работы с перерывами он показал десятки сигналов разной статистической значимости, среди которых более десятка имеют очень высокий уровень достоверности. И почти все они – гравиволны от слияния двух черных дыр или черной дыры и нейтронной звезды. Причем массы таких черных дыр – от нескольких солнечных до нескольких десятков солнечных (в основном 8-80 солнечных масс).

Сразу возник неудобный вопрос: откуда столько слияний черных дыр, да еще и такой несколько нетипичной для них массы (до запуска LIGO считалось, что ЧД в несколько десятков масс солнца практически нет)?

Особую остроту ситуации придает то, что «слияние» обычных звезд – переток материи от одного светила к другому, заканчивающийся вспышкой последнего – астрономы наблюдать научились. И это не сверхчастое событие. Слияния черных дыр должны быть несопоставимо реже: на тысячу звезд предполагается лишь одна черная дыра, а для слияния ей нужно найти пару.

Проблема поиска этой пары выглядит крайне сложной: каждая такая ЧД имеет диаметр в среднем около сотни километров, как они вообще могут сблизиться друг с другом в космосе? Важно помнить: черная дыра образуется после вспышки сверхновой, то есть после колоссального по своей мощи взрыва. Он выталкивает ее из «родной» системы и отправляет в странствие по межзвездному пространству, где вероятность наткнуться на другую черную дыру, также выбитую из своей системы взрывом, ничтожно мала.

Как настолько трудно образующиеся пары столь редких объектов могут регулярно сливаться с такой частотой, что LIGO регистрирует их по многу раз каждый год работы?

Начиная с 2016 года целый ряд авторов попробовал объявить регистрируемые LIGO черные дыры теми самыми MACHO. Мол, что лучше, чем неожиданный новый класс предельно темных объектов может объяснить загадку темной материи. Мешали лишь описанные выше проблемы: отсутствие достаточного количества гравилинз и общая неясность того, откуда бы во Вселенной могло появиться такое огромное количество черных дыр.

В 2017 году, однако, была предложена весьма необычная идея: MACHO вовсе не обязательно быть равномерно распределенными по галактическим окраинам. Обратимся к звездам, из которых, в теории, произошли эти черные дыры: они на окраинах галактик часто образуют шаровые скопления.

Это очень плотные образования, где может быть от десятка тысяч до миллиона звезд, находящихся, в среднем, не далее половины светового года друг от друга. Иными словами, светила на окраинах галактик часто образуют «комки», где звезды упакованы намного плотнее, чем в окрестностях Солнца. Соответственно, и звездное небо там в сотню раз ярче нашего.

Что если черные дыры ведут себя сходным образом и образуют плотные шаровые темные скопления, численностью, например, в несколько тысяч ЧД? В этом случае число гравилинз, которые дают черные дыры в таких скоплениях, будет очень малым: хотя каждое шаровое скопление может быть очень сильной гравилинзой, вероятность того, что оно окажется между Землей и удаленной звездой сама по себе довольно низка.

Идея с темными шаровыми скоплениями интересна еще и тем, что позволяет объяснить слияния черных дыр, наблюдаемых LIGO. Действительно, случайное сближение двух ЧД очень маловероятно. Но если они существуют в темных шаровых скоплениях, то рано или поздно их столкновение станет неизбежностью.

Вдобавок, к 2019 году еще одна группа исследователей выяснила: масса галактического гало галактик (она рассчитывается на основе влияния темной материи из гало на видимый звездный диск галактики) показывает тесную корреляцию с числом видимых шаровых скоплений в этой галактике. Просто умножив число шаровых скоплений звезд на 5 миллиардов солнечных масс вполне можно получить массу, совпадающую с общей массой темной материи в гало той или иной галактики.

Казалось бы, при чем здесь описанные выше темные шаровые скопления? Все просто: видимые шаровые скопления массу в пять миллиардов масс солнца иметь не могут. Их масса в норме не больше миллиона солнечных.

Но вот количество видимых шаровых скоплений из ярких звезд и невидимых – из черных дыр и нейтронных звезд – должно серьезно коррелировать между собой. Ведь если темные скопления – основная часть темной материи, то именно они и создают то гравитационное воздействие, которое позволяет галактике удерживать шаровые скопления, не давая им ее покинуть.

«Я готов принять наследственную»: откуда в нашей Галактике сотни миллиардов черных дыр?

Гипотеза о шаровых темных скоплениях выглядит со всех сторон перспективной. Дело не только в том, что она объясняет черную материю не вводя ни одну новую частицу (строго говоря, физики вообще не в курсе, есть ли внутри черной дыры хоть одна частица). Важнее, что ее можно эффективно проверить астрономически.

Такие скопления рано или поздно должны вызывать локальные возмущения на окраинах галактического диска, через который они проходят. Наблюдая «хвост» из потревоженных звезд, можно либо подтвердить, либо опровергнуть эту гипотезу уже на сегодняшнем уровне развития астрономической техники.

То есть на вид MACHO – скопление черных дыр с некоторой примесью нейтронных звезд – выглядит куда более перспективным объяснением темной материи, чем вимпы или любая другая гипотеза, требующая введения неизвестных «темных» частиц, которые, к тому же, никто не может найти.

Но есть одна очень большая проблема. В готовящейся к печати работе физика-гравитациониста Н. Горькавого (есть в распоряжении Naked Science) есть примерная оценка требуемого для такого сценария числа черных дыр (впрочем, сходные оценки можно увидеть и у других авторов). И оно очень велико: только для Млечного Пути, галактики, в которой мы проживаем, нужно до 200 миллиардов черных дыр массой в районе пяти солнечных.

Между тем в нашей Галактике не более 400 миллиардов обычных звезд, и лишь тысячная их часть могла стать подобными черными дырами. А идея темных шаровых скоплений требует не одну сотню миллиардов. И дело не только в нашей Галактике: существующие модели Большого взрыва вообще не показывают, откуда могло бы взяться такое количество обычной материи, чтобы из нее возникло столько звезд, чтобы, в свою очередь, образовать такое огромное множество черных дыр. Откуда они взялись?

Объяснить это достаточно сложно – даже несмотря на то, что пока это кажется единственной логичной интерпретацией загадочных наблюдений LIGO частых слияний ЧД. В 2011 году два физика из Британии и Канады предложили не самый очевидный ответ на этот вопрос: из прошлой Вселенной.

Да, как ни странно, на сегодня все еще совершенно неясно, живем ли мы в «первой Вселенной», или же наше пространство-время регулярно проходит циклы расширения, подобного нынешнему, с последующими сжатиями – и новыми расширениями. Имеющиеся наблюдения не позволяют достаточно надежно отличить один вариант от другого.

И сторонники теории циклической Вселенной – начиная с того же Георгия Гамова – спокойно предсказывают явления, которые потом подтверждаются астрономами. Тот же Гамов предсказал и существование реликтового излучения (от Большого взрыва), и даже его примерную температуру (в несколько кельвин).

Два упомянутых выше исследователя рассмотрели сценарий гипотетического сжатия Вселенной в конце цикла ее существования – прямо перед очередным Большим взрывом. У них получилось, что черные дыры в общем случае не могут погибнуть в таком сценарии.

В отличие, правда, от обычных звезд и планет: ведь атомы последних, в силу подъема температуры Вселенной при сжатии, разлетятся на составляющие, и ядра всех тяжелых атомов просто-напросто исчезнут в ярчайшем пламени (температура от 10 миллиардов кельвин).

В таком случае в каждом из циклов существования Вселенной обычная материя будет «пережигаться» на компоненты, но вот черные дыры станут постепенно накапливаться, постепенно достигая аномально высокой численности – в принципе нереальной для «одноциклового» мироздания.

Эти «наследственные» черные дыры оптимально подходят на роль такой темной материи, которая на самом деле образовалась из самой обычной – но не излучает свет. Закрывают они и еще одно узкое место современной наблюдательной астрономии: излишне древние сверхмассивные черные дыры.

Недавно Naked Science писал про один из самых вопиющих примеров такого рода. Речь о ЧД SMSS J215728.21-360215.1 – массой в 34 миллиарда Солнц (!) – и это при том, что мы видим ее такой, какой она была 13 миллиардов лет назад. Получается, за считанные сотни миллионов лет она набрала массу не такой уж маленькой галактики.

Как же это случилось? Ведь на сегодня единственный подтвержденный наблюдениями сценарий образования черной дыры – из коллапса массивной звезды. Но звезды не бывают массой даже в миллионы Солнц, что уж говорить о миллиардах. На протяжении многих лет теоретики пытались разработать сценарий «прямого коллапса» – такой ситуации, когда плотный газ коллапсирует в огромную черную дыру напрямую. Но требуемые для этого плотности газа поистине огромны. От этого вполне убедительного «прямого коллапса» никто так и не описал.

В ситуации, когда наша Вселенная существует не первый цикл подряд, вопрос о происхождении таких загадочных крайне ранних, но крайне массивных черных дыр довольно ожидаем. От прошлого цикла должны были остаться не только мелкие дыры – из темных шаровых скоплений прежних эпох, до Большого взрыва – но и крупные, из центров галактик, существовавших до того же самого взрыва. У них были, возможно, триллионы лет для постепенного набора массы из цикла в цикл. Ничего удивительного, что такие объекты наблюдаются уже через несколько сот миллионов лет после начала нынешнего цикла развития Вселенной.

Что из всего этого вытекает?

Победит ли MACHO вимпов и другие альтернативы, должно стать понятно уже в ближайший десяток лет. Космический телескоп Gaia вполне позволяет заметить возмущения от темных шаровых скоплений среди обычных, «светлых» звезд.

Однако уже сейчас следует понимать, что в сценарии торжества MACHO нет ничего особенного, успокаивающего. Да, он способен решить проблему темной материи, не дававшуюся ученым с 1884 года – но и цену за это придется заплатить немалую.

Сегодня в рамках Стандартной модели принято оценивать возраст Вселенной в 13,8 миллиардов лет. Картина ее истории представлялась простой как стрела времени – от немыслимого сжатия в момент Большого взрыва, до нынешнего сильнейшего разлета материи во все стороны – с образованием примерно сферической Вселенной общим диаметром до 100 миллиардов световых лет.

Принятие чернодырного объяснения темной материи создает из простого и понятного линейного сценария нечто намного более загадочное. Получается, наше пространство-время прошло через множество очень длительных циклов расширения-сжатия, и поэтому любая, на первый взгляд непримечательная черная дыра или нейтронная звезда за пределами дисков галактик может иметь триллионы лет истории и быть унаследованной из времен, от которых за пределами этой черной дыры не сохранилось буквально ни единого атома.

Причем – хотя это тема уже для другого текста – такое «засилье» черных дыр означает, что именно их поведение может оказаться и главной причиной самих этих циклов расширения и сжатия нашего пространства-времени.

Сценарий Вселенной-феникса намного более сложен и масштабен, чем то, что до сих пор описывала современная космология. Отвечая на очень сложные вопросы, MACHO могут поставить физиков перед еще более сложными – и получить на них точный ответ будет предельно трудно.