Телескоп "Джеймс Уэбб" может помочь раскрыть тайну темной материи

Поиск темной материи может быть также поиском самых старых черных дыр.

Отредактировано 2023-25-06
Инженер НАСА стоит в туннеле держа шесть шестиугольных основных зеркал телескопа Джеймса Уэбба в форме сотИнженер НАСА стоит перед шестью сегментами основного зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА.

Темная материя может состоять из древних черных дыр, говорится в новом исследовании, которое изучает старую теорию, недавно вернувшуюся на поверхность. В следующем году наблюдения, проводимые недавно запущенным космическим телескопом НАСА "Джеймс Вебб", могут намекнуть на то, что многие черные дыры образовались во время зарождения Вселенной. Эти наблюдения могут даже объяснить гравитационные эффекты темной материи.

Многие модели физики частиц объясняют темную материю с помощью так называемых слабо взаимодействующих массивных частиц, которые представляют собой тяжелые, медленно движущиеся теоретические частицы, притягивающие обычную материю с помощью гравитации. Но это объяснение "все больше противоречит последним экспериментальным данным", - говорит Бенджамин Леманн, физик и кандидат наук в Университете Санта-Круз, который изучает темную материю и физику частиц и не участвовал в исследовании. Поэтому сообщество физиков частиц стремится изучить других кандидатов на темную материю - включая пересмотр прошлых теорий в новых моделях.

В начале 1970-х годов Стивен Хокинг предсказал, что плотные карманы в сверхгорячей, компактной ранней Вселенной могли стать первыми черными дырами. Создание черных дыр на заре времен, которые известны как первозданные черные дыры, опирается на ключевой факт: крупномасштабная структура Вселенной является результатом крошечных флуктуаций спустя мгновения после Большого взрыва.

Согласно этой теории, очаги этих флуктуаций достигают критической плотности, готовые стать черными дырами, но сильное тепло вокруг них не позволяет им мгновенно схлопнуться. Частицы были настолько горячими, что "носились как сумасшедшие", не в состоянии коллапсировать в черные дыры, пока Вселенная не раздвинется и не охладится настолько, чтобы это произошло, говорит Гюнтер Хасингер, директор по науке Европейского космического агентства, а также специалист по рентгеновской астрономии и автор нового исследования, которое будет опубликовано в Astrophysical Journal.

По словам Хасингера, этот коллапс произойдет только тогда, когда элементарные частицы, называемые кварками, смогут объединиться в протоны, что начнется, когда Вселенной будет всего лишь доля секунды.

По словам Нико Каппеллути, астрофизика из Университета Майами, возглавлявшего исследование, команда задалась целью выяснить, могла ли Вселенная, которую мы видим сегодня, быть создана с помощью "этой новой космологии" первобытных черных дыр. Их модель показала, что вселенная с первобытными черными дырами, выступающими в качестве темной материи, могла бы выглядеть довольно близко к нашей.

"Первобытные черные дыры и темная материя не являются взаимоисключающими", - говорит Леманн. "Первобытные черные дыры - это одна из возможных форм темной материи". По его словам, количество научных загадок, которые можно проверить с помощью одной модели, поразительно, и методы исследования были тщательными.

Модель команды предсказывает, что звезды сформировались примерно через 50 миллионов лет - гораздо раньше, чем через 300 миллионов лет, предсказанных стандартной моделью. По словам Каппеллути, ученые, возможно, смогут устранить эту разницу при внимательном изучении далеких и древних уголков Вселенной.

Телескоп Джеймса Уэбба, предназначенный для изучения сигналов более чем 13,5 миллиардов лет назад, может стать связующим звеном между идеей Хокинга, выдвинутой несколько десятилетий назад, и темной материей. Когда Хокинг предложил первобытные черные дыры, исследователи "не имели реального представления о масштабах", - говорит Хасингер. Они думали, что созданные черные дыры будут очень маленькими, поэтому в последующие годы ученые искали гамма-лучи, порожденные маленькими черными дырами. Когда они их не нашли, эта идея была отложена большинством исследователей на десятилетия.

Только позже ученые поняли, что первобытные черные дыры могут существовать в широком диапазоне размеров, включая гораздо более тяжелые. Идея первозданных черных дыр также получила широкое распространение после первых обнаружений гравитационных волн, говорит Хасингер, которые показали более тяжелые черные дыры, чем ожидали астрономы.

Даже с лучшими на сегодняшний день телескопами у ученых остается "большой пробел" в их знаниях о ранней Вселенной, говорит Каппеллути. Астрономы могут наблюдать последние 13 миллиардов лет истории Вселенной, но ее возраст составляет около 14 миллиардов лет. Этот недостающий миллиард лет полон вопросов, на которые нет ответов, например, как мы оказались с такими массивными черными дырами, в миллиарды раз превышающими массу Солнца, говорит он. Образование этих сверхмассивных черных дыр трудно объяснить при нынешнем понимании физики исследователями.

Хасингер уверен, что телескоп "Джеймс Уэбб" увидит звезды, если они существуют, в так называемом "глубоком поле" - темной области космоса, где космический телескоп "Хаббл" впервые заметил множество самых старых наблюдаемых галактик. И если это произойдет, то, скорее всего, через несколько месяцев после начала работы обсерватории.

Джеймс Вебб" "откроет это окно" в далекую эпоху, говорит Каппеллути. Если он обнаружит, что протогалактики были гораздо более многочисленными, чем предсказывалось, их количество и характеристики могут стать хорошим индикатором существования первозданных черных дыр. Но "дымящимся пистолетом", скорее всего, станет будущее обнаружение гравитационных волн от первобытной черной дыры, говорит Каппеллути.

Леманн считает, что существует "захватывающая возможность" того, что "Джеймс Уэбб" сможет проверить модель авторов. Но, по его словам, он считает, что "это не решит полностью вопрос о том, состоит ли темная материя из первозданных черных дыр".

Ученые обычно не пытаются доказать правильность своих теорий, они просто придумывают теорию и пытаются ее "сбить", - говорит Хасингер. Чем больше попыток не удается доказать теорию, тем более прочной она становится. Если ее не удается сбить, теория выживает - по крайней мере, до следующего поколения экспериментов и открытий.

Независимо от того, будет ли теория команды отклонена или нет, предстоящие наблюдения могут стать огромной вехой в поисках первобытных черных дыр. Если ученые изучат самые глубокие наблюдения "Уэбба" и "не увидят ни малейшего намека на изменение стандартной модели", - говорит Хасингер, - "тогда у нас будут проблемы".

Поправка от 7 января 2022 года: В предыдущей версии этой статьи говорилось, что древние сверхмассивные черные дыры имеют массу в миллионы раз больше солнечной. На самом деле их масса в миллиарды раз больше солнечной.