Обратно на светло теория, основана на труд на Хокинг и Кар, според която тъмната материя произлиза от черни дупки, образувани в началото на Вселената.
Поради присъщата им тъмнина, днес е трудно да се прецени колко черни дупки присъстват в космоса и колко голям е размерът им. Поради тази причина, когато през 2015 г. първите гравитационни вълни вибрираха през детекторите на обсерваторията за гравитационно-вълнови лазерни интерферометри (LIGO), събитието предизвика не малка изненада. Преди това максималните размери, които бяха открити за черните дупки, бяха средно двадесет пъти по-голяма от слънчевата маса. Вместо това новите черни дупки имат маси, които достигат 30 пъти стойността на масата на Слънцето. Освен това, след като LIGO започна своята дейност и започна да „усеща“ сливанията между тези обекти, астрофизиците усетиха, че може да има много повече черни дупки, отколкото се смяташе досега.
Откриването на тези странни екземпляри съживи една стара идея, която наскоро беше държана встрани. Знаем, че черните дупки могат да се образуват от смъртта на звезда. Но също така е вероятно черните дупки да са се образували по време на Големия взрив. Скрито количество от тези „първични“ черни дупки може да е породило тъмна материя. В крайна сметка, въпреки десетилетия изследвания, досега не е имало прояви на частици тъмна материя. В този момент възниква въпросът дали това, което е било необходимо за обяснение на тъмната материя, или наличието на черни дупки, не винаги е било под очите ни.
Според Марк Камионковски, космолог от университета Джон Хопкинс, който изследва тази идея още през 2016 г., тази хипотеза е достатъчно странна, но не съвсем луда.
През 2017 г. Якин Али-Хаймуд, астрофизик от Нюйоркския университет, написа статия, в която изследва как тези „първични“ черни дупки влияят върху степента на откриване на LIGO. Той изчисли, че ако ранната Вселена е генерирала необходимото количество черни дупки, за да оправдае присъствието на тъмна материя, с течение на времето тези черни дупки би трябвало да се подредят по двойки, да обикалят по-близо и по-близо една до друга. и се сливат с ритми, стотици пъти по-високи от наблюдаваните от LIGO. Следователно тази статия предлага изследователите да продължат да преследват тази идея, но с други видове подходи. Но мнозина са се отказали от надеждата, а самият Камионковски изглежда е загубил интерес към проблема.
Въпреки това, последните статии дадоха нов дъх на идеята за първичните черни дупки. В един от тях, публикуван в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , космологът Карстен Джедамзик от Университета в Монпелие демонстрира как голям брой първични черни дупки са довели до сблъсъци, които вместо това са напълно съобразени с наблюденията на ЛИГО. Изчисленията, направени от Джедамзик, изглеждат доста точни и това може да е демонстрация, че наистина тези черни дупки могат да представляват тъмна материя.
Първоначалната идея за първичните черни дупки датира от 1970 г., базирана на работата, проведена от Стивън Хокинг и Бернард Кар. Според двамата учени в първите моменти на Вселената малки колебания в плътността биха могли да дадат региони, повече или по-малко щастливи, с прекомерна маса. Всеки от тези региони би могъл да се срине в черна дупка. Размерът на черната дупка ще бъде свързан с хоризонта на региона – тази област около всяка точка, която може да бъде достигната със скоростта на светлината. Всяка материя близо до хоризонта ще бъде засегната от гравитацията на черната дупка, попадайки в нея. Грубите изчисления на Хокинг показаха, че ако черните дупки са по-големи от малките астероиди, вероятно е те да са все още около Космоса днес.
По-нататъшен напредък е постигнат през 90-те години, когато е въведена и теорията за инфлацията, според която Вселената ще претърпи масивен експлозия веднага след Големия взрив. Теорията за инфлацията може да даде някои обяснения откъде идват първоначалните колебания на плътността.
В допълнение към тези колебания на плътността, физиците обмислят и определен преход, който би улеснил колапса.
В ранните етапи на Вселената цялата й материя и енергия се кипели в невероятно гореща плазма. След първите сто хилядни от секундата Вселената се охлади леко, така че кварките и глюоните на плазмата, след като се освободят, започнаха да се свързват заедно, за да образуват по-тежки частици. Бързото свързване на тези частици доведе до намаляване на налягането и поради тази причина много региони биха се срутили в черни дупки.
Но през 90-те години все още нямаше задълбочени познания по физика на кварк и глюонна течност, които да направят точни прогнози за това как този преход може да допринесе за образуването на черни дупки. Тогава теоретиците не можаха да кажат какъв е размерът на изконната черна дупка или колко от тях.
Освен това изглежда, че космолозите не се нуждаят от първични черни дупки. Астрономическите проучвания са сканирали цели области на небето, надявайки се да открият море от плътни, тъмни обекти, като плаващи черни дупки във външното течение на Млечния път, но не са били много успешни. И затова повечето космолози имаха идеята, че тъмната материя се състои от определен вид частици, наречени слабо взаимодействащи масивни частици (слабо взаимодействащи масивни частици). И се надявахме, че специално изградените детектори WIMP или Големият адронен колайдер, който е в процес на изграждане, могат да дадат повече доказателства за тези частици.
Известно е, че оттогава не са открити доказателства за частици от WIMP, нито за каквито и да било нови частици (с изключение на бозона на Хигс, който беше предсказан отдавна). Следователно тъмната материя остава тъмна.
И все пак днес имаме повече знания за околната среда, от която биха могли да възникнат първичните черни дупки. Днес физиците са в състояние да изчислят как налягането и плътността биха се развили от плазмата, образувана от глюони и кварки в началото на Вселената. С цялата налична информация, теоретичните физици отнеха години на проучвания, за да предскажат, че ранната Вселена може да генерира поредица от черни дупки.
Отначало кварките и глюоните се агрегират, за да образуват протони и неутрони. Това доведе до спад на налягането, което доведе до вероятното образуване на първични черни дупки. Докато Вселената се охлажда, се образуват други частици, като например пиони, създаващи по-нататъшен спад на налягането и възможна експлозия на черна дупка.
Между тези две епохи едно и също пространство се разширява. От хоризонта около тях първите черни дупки биха могли да изсмукат материал, еквивалентен на поне една слънчева маса. Във втората фаза обаче биха могли да бъдат депозирани обекти за общо 30 слънчеви маси – като тези, които се виждат за първи път от LIGO: тоест гравитационни вълни.
Веднага след обявяването на първите гравитационни вълни, открити от LIGO през 2016 г., хипотезата за първичните черни дупки започна да се възражда. Но на следващата година винаги Али-Хаймуд, който междувременно никога не е изоставял изследванията на тази хипотеза, казва, че черните дупки ще се сблъскват твърде често, създавайки голяма пречка за привържениците на теорията.
В този момент Джедамзик прие предизвикателството и създаде числени симулации на проблема, с който Али-Хаймуд се беше занимавал аналитично, чрез уравнения. И Джедамзик е намерил повратна точка.
Първичните черни дупки всъщност биха образували двойки. Според Джедамзик, във вселена с безброй черни дупки, трета черна дупка може да се доближи до двойката и да размени местата с една от тях. Това е процес, който се повтаря отново и отново.
С течение на времето този непрекъснат обмен на партньори би довел до бинарни черни дупки, които да имат почти кръгови орбити. Сблъсъците между тези черни дупки биха били много бавни. Дори при голяма популация от първични черни дупки, сливанията биха имали толкова ниска честота, че цялата хипотеза би била напълно съвместима със степента на сливане, наблюдавана от LIGO.
При разработването на своето изследване Джедамзик също разчита на работата, че първичните черни дупки могат да бъдат в тъмни клъстери, чийто диаметър е толкова голям, колкото разстоянието между Слънцето и най-близката звезда. Всеки от тези агрегати може да съдържа около хиляда черни дупки, натъпкани заедно. Тези с маса 30 пъти по-голяма от слънчевата са в центъра на клъстера; по-малките черни дупки вместо това заемат останалата част от пространството. Тези клъстери се крият навсякъде, където астрономите смятат, че има тъмна материя. Подобно на звезди в галактика или планети, които обикалят около Слънцето, орбиталното движение на всяка черна дупка избягва сблъсъка с друга – освен по време на необичайни сливания.
По-късно Джедамзик изчисли колко рядко трябва да са били тези сливания. Изчисленията бяха извършени върху големите черни дупки, наблюдавани от LIGO, както и върху по-малките, които не бяха взети предвид от обсерваторията (Малките черни дупки произвеждат слаби сигнали, които се нуждаят от малко разстояние, за да бъдат открити. ). И резултатите бяха много задоволителни.
Въпреки тези констатации, привържениците на първичната хипотеза за черна дупка все още трябва да направят много, за да убедят останалата част от научната общност. Повечето физици все още са убедени, че тъмната материя се състои от някаква елементарна частица, която все още е трудно да се открие. Освен това черните дупки, открити от LIGO, не се различават много от тези, които биха били генерирани от обикновени звезди. Това е като да попълните празнина в теория, която все още не съществува. Има неща, които все още са странни за някои от LIGO източниците, но всичко, което е видяно, може да бъде обяснено чрез нормалния еволюционен процес на звездите.
Ако можеше да се намери само една черна дупка с маса, по-ниска от тази на Слънцето – което според първоначалния сценарий за черна дупка е възможно и не се получава от звезда – това би разклатило дебата. И с последващи подобрения, LIGO е увеличил своята чувствителност, като в крайна сметка му позволява да открива малки черни дупки или да задава ограничения за броя им.
Междувременно други астрофизици тестват различни аспекти на теорията. Например, може би най-силните ограничения върху първичните черни дупки идват от изследванията върху гравитационните микролинзи, започнали през 90-те години. В тези експерименти астрономите наблюдават светлината и далечните източници, чакайки да видят дали пред тях преминава тъмен обект. . Това изследване отдавна изключва разпръснато население от малки черни дупки.
Но ако съществуват първични черни дупки с различни маси и ако те се обединят в плътни, масивни клъстери, тези резултати биха имали по-малко значение от това, което всъщност са дали изследователите.
Следващите наблюдения могат да разрешат и този въпрос. Наскоро Европейската космическа агенция допринесе с НАСА за развитието на римския космически телескоп Нанси Грейс , който трябва да позволи да се приложат иновативни изследвания върху гравитационните микролензи.
Гюнтер Хасингер, научен директор на ESA, е убеден, че теорията за първичните черни дупки може да обясни много загадки, тъй като не отчита нови частици или нови теории и се отнася само до стари парадигми.
Според Хасинджър много от все още неразгаданите пъзели ще могат да намерят обяснение само когато решим да погледнем на ВСИЧКО с други очи. .
