Двое американских астрофизиков из Принстонского и Нью-Йоркского университетов оценили вероятность обнаружения «первобытных» чёрных дыр (ПЧД) при их прохождении сквозь звёзды.
ПЧД резко отличаются от известных астрономам чёрных дыр, которые образуются в результате коллапса крупных звёзд (и имеют массу в ~10 солнечных) или формируются в центрах галактик, приобретая много бóльшую массу в диапазоне 106-1010 солнечных. «Первобытные» дыры занимают свободную область масс, уступающих солнечной, и должны были рождаться из возмущений плотности в молодой Вселенной. Поскольку общая теория относительности допускает развитие сколь угодно лёгких чёрных дыр, масса ПЧД вполне могла приближаться к планковской (~10-5 г); при этом надо учитывать, что время испарения дыр, масса которых находится ниже порогового значения Мисп ≈ 5•1014 г, не превосходит возраст Вселенной.
Гипотеза о существовании ПЧД интересует многих космологов, так как «невидимые» чёрные дыры могли бы составлять холодную тёмную материю. Астрономы уже занимаются проверкой этого предположения, ориентируясь на то, что ПЧД с массой, незначительно превосходящей Мисп, испускают излучение Хокинга, причём спектр гамма-излучения, согласно расчётам, должен иметь пик в области 100 МэВ. Измерения внегалактического гамма-фона, выполненные на телескопе EGRET космической обсерватории Compton, установили некоторые ограничения на параметры теоретической модели, но они оказались не слишком строгими: ПЧД с массой более 1017 г могли бы слагать всю тёмную материю Вселенной, и данным EGRET это бы не противоречило.
Ещё одна экспериментальная методика, подходящая для тяжёлых ПЧД, основывается на эффекте гравитационного микролинзирования. При микролинзировании чёрная дыра проходит между Землёй и удалённой звездой, вследствие чего наблюдаемая яркость последней увеличивается на время, пропорциональное квадратному корню из массы линзирующего объекта. Эта зависимость помогла участникам проекта Expérience pour la Recherche d’Objets Sombres установить, что ПЧД с массой, превышающей 0,6•10-7 солнечной (~1026 г), не могут отвечать более чем за 8% массы гало Галактики.
Разные варианты траектории движения ПЧД, просчитанные астрофизиками. Серый круг обозначает Солнце. Как и следовало ожидать, чёрная дыра, едва касающаяся «поверхности» Солнца (этот случай обозначен жёлтым), не возбуждает заметных осцилляций, тогда как дыры, проникающие вглубь звезды, могут давать чёткий сигнал. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters.)
В новой работе рассматривается третий способ проверки теории, применимый на неисследованном интервале масс 1017-1026 г. Авторы исходят из того, что ПЧД, проходя сквозь светило, должна возбуждать его осцилляции — заставлять наружный слой газа подниматься и опускаться. Аналогичные колебания солнечной поверхности, вызванные звуковыми волнами, которые возбуждаются внутренними флуктуациями газового давления, давно и успешно изучают обсерватории SOHO и SDO. Приборы, установленные на этих автоматических станциях, отмечают доплеровские сдвиги спектральных линий, обусловленные колебаниями.
Результаты вычислений, проведённых американцами, показывают, что одних наблюдений Солнца будет явно недостаточно: если локальная плотность ПЧД не превышает значения, рассчитанные для тёмной материи, астрономы рискуют не дождаться того момента, когда чёрная дыра провзаимодействует с нашей звездой. К счастью, астросейсмология — дисциплина, изучающая осцилляции звёзд, — в последние годы развивается чрезвычайно быстро. Современные космические телескопы «Кеплер» и CoRoT уверенно регистрируют пульсации весьма удалённых светил, о чём мы уже рассказывали, а будущие миссии (скажем, Stellar Imager) ещё больше упростят задачу обнаружения ПЧД. По мнению авторов, астросейсмологический метод сыграет важную роль в поисках «первобытных» чёрных дыр и компонентов тёмной материи, если частицы последней не будут найдены на Земле в экспериментах вроде CoGeNT или CRESST-II.
Полная версия отчета опубликована в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно загрузить с сайта arXiv.
По материалам: PhysOrg.