Японские учёные предложили искать темную материю первичных черных дыр через гравволны

Основными кандидатами на холодную темную материю во Вселенной, кроме стерильных нейтрино, аксионов и слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), считаются первичные черные дыры (PBH). Они образовались из плотных скоплений субатомных частиц в первые секунды после Большого взрыва.


Первичные черные дыры классически стабильны, но, согласно расчетам Стивена Хокинга 1975 года, могут испаряться за счет квантовых эффектов. Время их жизни пропорционально кубу начальной массы. Поскольку с момента Большого взрыва прошло около 13,8 миллиарда лет, до наших дней дожили только PBH с массой не менее триллиона килограммов. Однако выдвинута гипотеза, что их срок жизни может быть значительно длиннее из-за эффекта «бремени памяти» — явления, при котором информация, хранящаяся в черной дыре, стабилизирует ее и замедляет испарение. В таком случае более легкие PBH — около 10 миллионов килограммов — могут сохраняться и сегодня, являясь частью холодной темной материи.

Группа японских ученых предложила искать следы таких PBH через гравитационные волны, вызванные первичными возмущениями кривизны пространства, которые их сформировали. Исследование опубликовано в Physical Review D. Несмотря на многочисленные поиски, темная материя пока не обнаружена ни в ускорителях частиц, ни в детекторах, ни при астрономических наблюдениях. Если темная материя взаимодействует с обычной материей только гравитационно, PBH могут быть одним из объяснений. Эффект «бремени памяти» был открыт в 2018 году и связан с квантовыми свойствами черных дыр. Информация, хранящаяся внутри, замедляет их испарение, особенно когда черная дыра теряет около половины своей массы.

Время жизни черной дыры значительно увеличивается, что позволяет им сохраняться дольше, чем предсказывал Хокинг. Исследователи сосредоточились на PBH с массой от 100 кг до 10 миллионов кг.

PBH могли образоваться в результате гравитационного коллапса в ранней Вселенной, где сильные возмущения кривизны вызвали усиленное образование черных дыр. В этот период возникли также гравитационные волны с частотами, зависящими от массы PBH. Анализируя свойства этих гравитационных волн, ученые рассчитали спектры, которые могут наблюдаться сегодня с помощью будущих гравитационно-волновых обсерваторий, таких как LISA, DECIGO и Обсерватория Большого взрыва (BBO).

Результаты показывают, что тяжелые PBH с эффектом «памяти» могут создавать гравитационные волны с относительно низкими частотами, доступными для обнаружения. Также предложены критерии для подтверждения или опровержения роли PBH как темной материи через наблюдения гравитационных волн.

Пиковые частоты индуцированных волн могут достигать десятков мегагерц, что значительно выше частот, регистрируемых современными детекторами, такими как LIGO. Однако в спектрах есть следы с более низкими частотами, которые может обнаружить будущая обсерватория Cosmic Explorer с 40-километровыми интерферометрическими плечами.

Читайте также: