У астрофизиков есть несколько гипотез из чего состоит темная материя. Помимо таких частиц, как стерильные нейтрино, аксионы и слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles, WIMP), еще одним кандидатом на роль составляющей холодной темной материи считаются так называемые первичные черные дыры (primordial black holes, сокращенно PBH или по-русски ПЧД). Они образовались из чрезвычайно плотных скоплений субатомных частиц в первые секунды после Большого взрыва.
Первичные черные дыры классически стабильны, но, как предположил Стивен Хокинг в 1975 году, они (равно как и возникшие позже на месте коллапсировавших звезд обычные черные дыры) могут «испаряться» благодаря квантовым эффектам. Они излучают почти как абсолютно черное тело, но ключевым здесь является слово «почти». По расчетам Хокинга, у любых черных дыр есть время жизни, пропорциональное кубу их первоначальной массы. Поскольку с момента Большого взрыва прошло 13,8 миллиарда лет, до наших дней должны были дожить только ПЧД с начальной массой в 1012 килограммов или более.
Однако позже было высказано предположение, что время жизни черной дыры может быть значительно больше, чем предсказывал Хокинг, из-за так называемого «эффекта нагрузки на память» (memory burden effect), когда объем информации, переносимой черной дырой, стабилизирует ее от разрушения.
Гипотезу «нагрузки на память» сформулировал грузинский физик-теоретик Георгий Двали в 2018 году. Рассматривая черную дыру как конденсат гравитонов, предполагаемых носителей силы тяжести, он рассчитал микроквантовые процессы, ответственные за энтропию черной дыры.
Сохраненная информация стабилизирует черную дыру, делая ее более устойчивой к распаду. Этот эффект становится важным, когда черная дыра теряет примерно половину своей первоначальной массы. Таким образом ПЧД, которые ранее могли считаться уже «испарившимися», все еще могут присутствовать во Вселенной в виде компактных скоплений холодной темной материи.
Исследовательская группа из Японии предложила обнаружить гипотетическую темную материю ПЧД путем детекции гравитационных волн, вызванных первичными возмущениями кривизны, которые привели к появлению ПЧД. Их работа опубликована в Physical Review D.
Вывод Хокинга о том, что черные дыры все же генерируют излучение, хотя и в крайне незначительном количестве, означает, что в конечном итоге они полностью израсходуют материал и прекратят свое существование. Но расчеты предполагали существование квазиклассической черной дыры в течение всего ее жизненного цикла, игнорируя квантовую обратную реакцию образовавшихся частиц на «испаряющуюся» черную дыру.
Пока не совсем ясно, что происходит с черной дырой, когда «нагрузка на память» становится значительной — возможно, излучение Хокинга подавляется, или, возможно, черная дыра распадается на какие-то сгустки и гравитационные волны. Но в любом случае время жизни черной дыры значительно увеличивается по сравнению с тем временем, которое отпускал Хокинг.
Черные дыры обладают огромной энтропией. Черная дыра Шварцшильда с массой Солнца имеет энтропию, равную 1077 в единицах постоянной Больцмана. Для сравнения, энтропия Солнца равна 1058.
Космологические ограничения накладывают нижние и верхние пределы количество и размеров ПЧД. Авторы работы считают, что в современной Вселенной представлены ПЧД с текущей массой от 100 кг до 107 кг.
Одним из популярных объяснений образования ПЧД является гравитационный коллапс с чрезвычайно сильными возмущениями кривизны пространства-времени. В бурную эпоху младенчества Вселенной преобладало излучение, но также возникало значительное количество гравитационных волн, частота которых находилась в соответствии с начальной массой образовавшихся ПЧД.
Как первичные, так и «вторичные» невозможно засечь ни на одном участке электромагнитного спектра, но теоретически можно засечь их гравитацию.
Изучая доступные для наблюдения гравитационные волны в современной Вселенной, ученые получили модельные спектры гравитационных волн, источником которых могли стать первичные черные дыры. Их расчеты ожидаемых спектров индуцированных гравитационных волн показывают, что темная материя ПЧД с достаточно большой памятью может наблюдаться сегодня, поскольку она индуцирует относительно низкочастотные гравитационные волны. Но пока это ограничивается моделированием in silico, нужных инструментов для наблюдения у астрофизиков нет.
Авторы возлагают надежды на будущие гравитационные обсерватории, такие как орбитальный комплекс LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), наземная DECIGO (гравитационно-волновая обсерватория с децигерцовым интерферометром) в Японии, обсерватория Большого взрыва (BBO), предложенная Европейским космическим агентством (ЕКА) на замену LISA.
Авторы составили графики ожидаемых спектров в зависимости от частоты волн и расширили свои уравнения, чтобы предсказать соотношение сигнал/шум, которое можно было бы определить в реальных наблюдениях.
Исследователи также представили критерии, с помощью которых астрономы, изучающие гравитационные волны, могли бы подтвердить или исключить сценарий с темной материей ПЧД, обремененной памятью. Тем не менее, нелинейная динамика темной материи ПЧД должна по мнению ученых определять форму гравитационных волн.
Пиковая частота индуцированных волн может достигать 30 мегагерц, что в 3000 раз превышает пиковую частоту, которую могут обнаружить интерферометры LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) в США. Однако расчеты показывают, что в спектрах может присутствовать инфракрасный след, который предполагает на более низкие пиковые частоты.
Их можно было бы обнаружить с помощью проектируемой наземной гравитационно-волновой обсерватории третьего поколения Cosmic Explorer, которая будет иметь ту же L-образную конструкцию, что и LIGO, но с плечами интерферометра длиной 40 км вместо 4 км у LIGO.
Несмотря на большое количество экспериментальных исследований, физикам пока не удалось найти достоверные следы присутствия темной материи. Их прямо или косвенно ищут в ускорителях элементарных частиц, в подземных детекторах, на околоземной орбите, на планетах Солнечной системы и при исследовании дальнего космоса. Однако пока темная материя переходить на сторону света не спешит.
