Чим довше залишається невирішеною загадка темної матерії, тим більше з’являється екзотичних гіпотез про її природу, включаючи новітню ідею про спадкування гігантських чорних дір у попередньої Всесвіту.
Для того щоб знати, що щось існує, бачити його необов’язково. Так колись по гравітаційному впливу на рух Урана були відкриті Нептун і Плутон, а сьогодні ведеться пошук гіпотетичної Планети Ікс на далеких околицях Сонячної системи. Але як бути, якщо такий вплив ми виявляємо всюди у Всесвіті? Взяти хоча б галактики. Здавалося б, якщо галактичний диск обертається, то швидкість зірок повинна зменшуватися з ростом орбіти. Саме так, наприклад, обстоїть справа з планетами Сонячної системи: Земля мчить навколо Сонця на 29,8 км/с, а Плутон — на 4,7 км/с. Проте вже в 1930-х спостереження за туманністю Андромеди показали, що швидкість її обертання зірок залишається майже постійною, як би далеко на периферії вони не знаходилися. Така ситуація типова для галактик, і в числі інших причин вона призвела до появи концепції темної матерії.
Карнавал проблем
Вважається, що безпосередньо ми її не бачимо: це загадкове речовина практично не взаємодіє з звичайними частинками, у тому числі не випромінює і не поглинає фотони, — але можемо помітити по гравітаційному впливу на інші тіла. Спостереження за рухом зірок і хмар газу дозволяють складати детальні карти гало темної матерії, навколишнього диск Чумацького Шляху, говорити про важливу роль, яку вона відіграє в еволюції галактик, скупчень і всієї великомасштабної структури Всесвіту. Однак далі починаються труднощі. Чим є ця таємнича темна матерія? З чого складається і якими властивостями володіють її частинки?
Головними кандидатами на цю роль вже багато років залишаються вимпы — гіпотетичні частинки, здатні брати участь ні в яких взаємодій, крім гравітаційної. Виявити їх намагаються побічно, по продуктам рідкісних взаємодій зі звичайною матерією, так і безпосередньо, з допомогою найпотужніших інструментів, включаючи Великий адронний коллайдер. На жаль, в обох випадках результатів немає.
«Варіант, при якому БАК знайде тільки бозон Хіггса і нічого більше, недарма назвали «жахливим сценарієм», — говорить професор Франкфуртського університету Сабіна Хоссенфельдер. — Те, що ознак нової фізики не виявилося, служить мені однозначним сигналом: щось тут неправильно». Вловили цей сигнал і інші вчені. Після опублікування негативних результатів пошуків слідів темної матерії за допомогою БАК і інших інструментів інтерес до альтернативних гіпотез про її природі явно зростає. І деякі з цих рішень виглядають навіть екзотичніше бразильського карнавалу.
Міріади дірок
Що, якщо вимпов не існує? Якщо темна матерія — це речовина, яку ми не можемо побачити, але бачимо ефекти його гравітації, то, бути може, це просто чорні діри? Теоретично на самих ранніх етапах еволюції Всесвіту вони могли утворитися у величезній кількості — не з загиблих зірок-гігантів, а в результаті колапсу надщільної і гарячої матерії, заполнявшей розпечений космос. Одна біда: до цих пір не вдалося знайти жодної первинної чорної діри, і достеменно невідомо, чи були вони коли-небудь взагалі. Втім, у Всесвіті достатньо і інших чорних дір, які підходять на цю роль.
Зонд Voyager 1 Спостереження далекого космічного зонда Voyager 1 не виявили ніяких слідів хокинговского випромінювання, яке могло б свідчити про появу первинних чорних дірок мікроскопічного розміру. Втім, це ще не виключає існування більш великих подібних об’єктів. Починаючи з 2015 року інтерферометр LIGO зареєстрував вже 11 гравітаційних хвиль, і 10 з них були викликані злиттям пар чорних дір масами в десятки мас Сонця. Саме по собі це вкрай несподівано, адже подібні об’єкти утворюються в результаті вибухів наднових і загибла зірка втрачає при цьому більшу частину своєї маси. Виходить, що попередниками злилися дір були зірки дійсно циклопічних розмірів, які вже давно не повинні народжуватися у Всесвіті. Іншу проблему створює освіта ними подвійних систем. Вибух наднової — подія настільки потужне, що будь-близький об’єкт буде викинутий геть далеко. Іншими словами, LIGO зареєстрував гравітаційні хвилі від об’єктів, поява яких залишається загадкою.
Наприкінці 2018 року до таких об’єктів звернулися астрофізик Гринвіцького науково-технологічного інституту Микола Горькавый і нобелівський лауреат Джон Мазер. Їх розрахунки показали, що чорні діри масами в десятки мас Сонця цілком могли б скласти галактичне гало, яке залишиться практично невидимим для спостережень і при цьому створить всі характерні аномалії в будові та рух галактик. Здавалося б, звідки на далекій периферії галактики взятися потрібній кількості таких великих чорних дір? Адже переважна більшість масивних зірок народжується і гине ближче до центру. Відповідь Горькавый і Мазер дають майже неймовірний: ці чорні діри не «взялися», вони в певному сенсі існували завжди, з самого початку Всесвіту. Це залишки попереднього циклу в нескінченній низці розширень і стиснень світу.
Швидкості руху зірок в центрі і на периферії галактики Суцільною лінією показана реальна орбітальна швидкість зірок і газу, що обертаються навколо центру галактики; пунктирною — очікувана при відсутності впливу темної матерії.
Релікти перероджень
Взагалі, Великий стрибок — модель в космології не нова, хоча і недоведена, існуюча нарівні з безліччю інших гіпотез еволюції космосу. Можливо, що в житті всесвіту періоди розширення дійсно змінюються стисненням, «Великим вибухом» — і новим відскоком-вибухом, народженням світу наступного покоління. Однак у новій моделі цими циклами диригують чорні діри, виступаючи в ролі і темної матерії і темної енергії — таємничої субстанції або сили, що викликає прискорене розширення Всесвіту.
Передбачається, що, поглинаючи речовина і зливаючись один з одним, чорні діри можуть накопичувати все більшу частину від загальної маси Всесвіту. Це повинно призводити до уповільнення її розширення і стиснення. З іншого боку, злиття чорних дір значна частина їх маси втрачається з енергією гравітаційних хвиль. Тому утворюється в результаті дірка буде легше суми своїх колишніх складових (наприклад, перша зареєстрована LIGO гравітаційна хвиля народилася злиття чорних дір масами 36 29 сонячних з утворенням діри масою «всього лише» 62 сонячних). Так може втрачати масу і Всесвіт, стискаючись і заполняясь все більш великими чорними дірами, включаючи одну найбільшу — центральну.
Маса чорних дір і нейтронних зірок LIGO Нарешті, після довгої низки злиття чорних дір, коли значна частина маси Всесвіту «витече» у вигляді гравітаційних хвиль, вона почне розлітатися на всі боки. З боку це буде схоже на вибух — Великий вибух. На відміну від класичної картини Великого відскоку, повного знищення попереднього світу у такій моделі не відбувається, а нова Всесвіт прямо успадковує деякі об’єкти у материнській. Передусім це все ті ж чорні діри, готові знову зіграти в ній обидві головні ролі — і темної матерії і темної енергії.
Микола Горькавый, доктор фізико-математичних наук, лауреат Державної премії СРСР, директор Гринвіцького науково-технологічного інституту (GIST) : «Всесвіт сповнена чорних дір, при злитті скидають масу в гравітаційні хвилі. Їх множинні злиття і швидке зменшення маси в момент стиснення Всесвіту легко пояснюють сильну «антигравитацию» Великого вибуху. А тривале зростання з поглинанням гравітаційних хвиль та їх зворотним перетворенням в масу пояснює відносно слабку «гипергравитацию» і прискорене розширення сучасної Всесвіту. Така модель базується тільки на загальній теорії відносності, вільна від введення будь-яких «темних сутностей» і пророкує весь спектр чорних дірок, від зоряних мас до надмасивних. Перевірити її допоможуть нові спостереження LIGO».
Велика праматір
Отже, в цій незвичайній картині темною матерією виявляються великі чорні діри, що передаються у спадок від Всесвіту до Всесвіту. Але не можна забувати і про «центральної» чорної діри, яка повинна формуватися в кожному такому світі напередодні його загибелі і зберігатися в наступному. Розрахунки астрофізиків показали, що її маса в нашому сьогоднішньому космосі може досягати неймовірних 6 х 1051 кг, 1/20 від маси всієї баріонної матерії, — і безперервно збільшуватися. Її зростання може призводити до більш швидкого розтягування простору-часу і виявлятися як розширення Всесвіту прискорюється.
Звичайно, присутність такої циклопічної маси повинно призводити до появи помітних відхилень у великомасштабній структурі Всесвіту. Кандидат на таку неоднорідність вже є — астрономічна Вісь зла. Це порівняно слабкі, але дуже тривожні ознаки анізотропії Всесвіту — структурованості, яка проявляється в ній на найбільших масштабах і ніяк не узгоджується з класичними поглядами на Великий вибух і все, що відбувалося після нього.
Попутно екзотична гіпотеза вирішує ще одну астрономічну загадку — проблему несподівано раннього появи надмасивних чорних дір. Такі об’єкти розташовані в центрах великих галактик і невідомих поки способом встигли набрати масу в мільйони і навіть мільярди мас Сонця вже в перші 1-2 млрд років існування Всесвіту. Неясно, де вони могли б в принципі знайти стільки речовини і тим більше коли могли б встигнути його поглинути. Але в рамках ідеї з «успадкованими» чорними дірами ці питання знімаються, адже зародки їх могли дістатися нам ще від минулого Всесвіту.
Шкода, що екстравагантна гіпотеза Горькавого поки що лише гіпотеза. Щоб вона стала повноцінною теорією, потрібно, щоб її прогнози збіглися з даними спостережень — причому з такими, які неможливо пояснити традиційними моделями. Звичайно, майбутні дослідження дозволять звірити фантастичні викладки з реальною дійсністю, але станеться це явно не найближчим часом. Тому поки питання про те, де ховається за терміном темна матерія і що таке темна енергія, залишаються без відповіді.
