Исследование группы ученых из Принстона и Нью-Йоркского университета может заметно помочь в обнаружении темной материи.

Астрономы разработали метод обнаружения столкновений звезд с так называемыми изначальными черными дырами, образовавшимися не в результате гравитационного коллапса при столкновении звезд, но из-за высокой плотности материи после Большого взрыва. Такие черные дыры находятся в небольшом списке объектов, которые, возможно, ответственны за образование темной материи. Исследование может дать возможность наблюдать процессы, связанные с темной материей и лучше понять ее природу.

Авторы исследования, Шраван Ханасог и Майкл Кесден, провели численное моделирование прохождения черной дыры через звезду. Изначальные черные дыры – гипотетический объект, обладающий свойствами темной материи, и его еще предстоит увидеть (или опровергнуть его существование). Если они в самом деле являются источниками темной материи, то столкновение с какой-нибудь звездой Млечного пути, а их около 100 миллиардов, неизбежно. В отличие от обычной крупной черной дыры, звезда не будет поглощена, но на ее поверхности будут заметны колебания, возникающие при проходе через нее черной дыры.

Так что мы можем в скором времени ждать открытия изначальной черной дыры, ведь все больше и больше телескопов направляется на звезды нашей галактики. Совместное использование современных методов наблюдения солнц и новой модели может заметно увеличить шанс наблюдения черной дыры. «Один из больших вопросов астрономии – из чего состоит темная материя. Если будет найдена изначальная черная дыра, она подойдет по всем свойствам – у нее есть масса и сила, но она не взаимодействует со светом. Если мы найдем такой объект, это сильно увеличит наше понимание темной материи и ранних этапов развития Вселенной», – говорит Ханасог.

Поскольку изначальные черные дыры тяжелее, чем другие кандидаты на создание темной материи, ее легче заметить. При приближении черной дыры к звезде ее поверхность должна возмутиться, так как материя будет притягиваться к черной дыре. «Поведение поверхности звезды будет аналогично шарику с водой, который вы толкнули, – говорит Кесден. – Изучая, как движется поверхность звезды, можно понять, что твориться внутри. Если через нее проходит черная дыра, поверхность вибрирует».

Ученые использовали Солнце для моделирования поведения поверхности звезды при проходе черной дыры. Кесден был ответственным за природу темной материи и черной дыры, он рассчитал ее примерную массу и траекторию сближения с Солнцем. Ханасог, изучающий сейсмологию звезд, рассчитал ее влияние на Солнце.

Расчет и создание видео на основе моделирования было проведено на суперкомпьютере Плеяды в Исследовательском центре Эймса. По словам Марка Каминковски, профессора Университета Джона Хопкинса, эта работа является хорошим инструментом для описка изначальных черных дыр. Она может использоваться с современными методами наблюдения звезд. «Мы давно знали, что при проходе черной дыры через звезду что-то происходит, но впервые были получены строгие численные результаты, – добавляет он. – Это хорошая мысль, и метод позволяет использовать измерения и наблюдения, уже сделанные астрономами. Так что почему бы не исследовать их, ведь вдруг там найдется темная материя?»

Другим важным качеством новой работы является увеличение массы черной дыры, которую можно найти. Все методы, существовавшие ранее, могли засечь массу, слишком маленькую для черной дыры, или же, напротив, настолько большую, что не поздоровилось бы всей галактике, а не одной звезде. Массы, характерные для изначальных черных дыр, не брались в рассмотрение. Возможно потому, что никто не предполагал, как можно их искать, хотя примерно и было известно, какие у них должны быть массы, если они в самом деле существуют.

Масса изначальной черной дыры, которая может быть обнаружена современными методами, была рассчитана на основе излучения черной дыры при ее испарении в виде гамма-лучей, а также на основе искривления пути лучей света около массивных звездных объектов. Но разница в массе, устанавливаемая на основе этих двух подходов, колоссальна даже в астрономических масштабах. Излучение Хокинга может быть зарегистрировано только если масса испаряющейся черной дыры менее 100 квадрильонов грамм, тогда как для искривления света масса должна превышать 100 септильонов грамм. Так что изначальные черные дыры надо было искать в полосе масс шириной в миллиард грамм. По словам Кесдена, это сродни поиску на Земле неизвестного объекта массой от одной монетки до тяжелого грузовика.

Исследование Кесдена и Ханасога выдвинуло более узкую полосу масс для поиска, а также установило другие условия, специфические для поиска изначальных черных дыр. В ходе численного моделирования им удалось «обнаружить» изначальную черную дыру массой около 1 секстильона грамм, что примерно равно массе обычного астероида. Уже такой небольшой объект может заметно возмутить поверхность звезды.

«Теперь, когда мы знаем, что изначальные черные дыры могут оказывать заметное влияние на звезды, мы можем исследовать множество звезд в поиске этих эффектов, – говорит Кесден. – В Млечном пути 100 миллиардов звезд, так что около 10000 наблюдаемых явлений должно происходить за год в наше галактике. Надо только знать, куда смотреть».