Нове дослідження пропонує екзотичне рішення загадки темної матерії

Однією з найбільших загадок сучасної космології залишається природа темної матерії — таємничої субстанції, яка, як вважається, становить переважну більшість маси майже кожної галактики у Всесвіті, але не взаємодіє зі світлом і залишається невидимою для наших телескопів. Її існування ми виводимо лише з гравітаційного впливу на звичайну матерію — зірки, газ та пил. Попри десятиліття пошуків, прямих доказів існування частинок темної матерії так і не було знайдено. Це спонукає вчених розглядати дедалі екзотичніші гіпотези. Нове теоретичне дослідження вдихає життя в одну зі старих ідей, пропонуючи несподіваний поворот: що, як темна матерія складається з первинних чорних дір, які набули особливого «темного заряду» в перші миті існування Всесвіту?

Ідея про первинні чорні діри (ПЧД) не нова. Ще в 1970-х роках видатний фізик Стівен Гокінг припустив, що в екстремальних умовах дуже раннього Всесвіту, коли матерія була надзвичайно щільною та гарячою, могли спонтанно формуватися чорні діри не з колапсу зірок (як звичайні чорні діри), а безпосередньо з флуктуацій щільності самого простору-часу. Ці ПЧД могли мати широкий діапазон мас, включаючи дуже малі. Тоді ж Гокінг зробив інше революційне відкриття: чорні діри не є абсолютно «чорними». Через квантові ефекти поблизу їхнього горизонту подій вони повільно, але невпинно випромінюють частинки та енергію — процес, відомий як випромінювання Гокінга. Це призводить до поступової втрати маси чорної діри, причому чим менша чорна діра, тим інтенсивніше вона випромінює. Зрештою, дуже малі чорні діри повинні повністю «випаруватися» у спалаху частинок та випромінювання.

Гокінг швидко усвідомив наслідки: якщо в ранньому Всесвіті утворилося багато малих ПЧД, то ті з них, чия початкова маса була достатньо малою, мали б завершити своє випаровування саме в нашу епоху. Ми мали б спостерігати ці фінальні спалахи як характерні сигнали з космосу. На певний час космологи розглядали ПЧД як цілком правдоподібного кандидата на роль темної матерії — якби вони були достатньо чисельними, їхня сукупна маса могла б пояснити спостережувану гравітацію галактик. Проте, попри десятиліття ретельних астрономічних спостережень у різних діапазонах електромагнітного спектра та пошуків космічних променів високих енергій, жодних переконливих доказів випаровування ПЧД так і не було знайдено. Це сильно підірвало позиції ПЧД як основного кандидата на темну матерію, хоча повністю ідея не була відкинута.

Однак історія ПЧД на цьому не закінчується. Оригінальний аналіз Гокінга стосувався найпростішого типу чорних дір — тих, що не мають електричного заряду та обертання. Пізніші дослідження показали, що наявність електричного заряду може суттєво вплинути на процес випаровування, значно подовжуючи життя чорної діри. Але є проблема: Всесвіт загалом, навіть у бурхливі часи Великого Вибуху, вважається електрично нейтральним. Немає очевидних причин, чому первинні чорні діри мали б масово набувати значного звичайного електричного заряду — будь-який заряд швидко нейтралізувався б навколишньою плазмою.

І ось тут на сцену виходить нова ідея, запропонована групою дослідників на чолі з Джессікою Сантьяго з Національного тайванського університету в дослідженні, опублікованому на сайті препринтів arXiv. Що, якби існував не звичайний електричний заряд, а новий, досі невідомий тип заряду — «темний заряд», пов'язаний із гіпотетичним «темним сектором» фізики? Теоретики, розмірковуючи над природою темної матерії, вже давно припускають, що вона може бути не просто одним типом частинок, а цілим «дзеркальним світом» зі своїми власними частинками та взаємодіями, прихованими від нашого звичайного світу. Наприклад, так само, як у нас є електрони, що взаємодіють через обмін фотонами (світлом), у темному секторі могли б існувати «темні електрони», що взаємодіють через обмін «темними фотонами» — не просто нові частинки, а цілі нові сили природи, що діють приховано від наших спостережень.

Команда Сантьяго виявила, що якби темні електрони були поширені в дуже ранньому Всесвіті, вони могли б ефективно «заряджати» первинні чорні діри цим гіпотетичним темним зарядом так, як звичайні електрони не змогли б зарядити їх звичайним зарядом. Наявність такого темного заряду, згідно з їхніми розрахунками, кардинально змінює динаміку випаровування чорної діри. Він може настільки сильно пригнічувати випромінювання Гокінга, що час життя таких заряджених ПЧД значно подовжується — потенційно на багато порядків, перевищуючи поточний вік Всесвіту (близько 13,8 мільярда років). Це означає, що ці заряджені ПЧД, утворені в перші долі секунди після Великого Вибуху, могли б існувати й донині, населяючи сучасний космос. Якби їх утворилося достатньо багато, їхня сукупна маса могла б відповідати за всю або значну частину спостережуваної темної матерії.

Критично важливим аспектом цієї гіпотези є те, що самі темні електрони (та інші частинки темного сектору) не обов'язково повинні існувати в сучасному Всесвіті у великій кількості. Вони мали бути присутніми лише на дуже ранніх етапах, коли брали участь у зарядці первинних чорних дір. Як тільки чорні діри набули достатнього темного заряду, темні частинки могли зникнути з космічної сцени — наприклад, розпастися або анігілювати. Головне, щоб чорні діри встигли «зарядитися» настільки, щоб стабілізувати себе від швидкого випаровування. Такий сценарій дозволяє залучити екзотичну фізику темних електронів і темних фотонів для пояснення довголіття ПЧД, не турбуючись про довгострокові наслідки їхньої присутності в сучасному Всесвіті, що могло б суперечити іншим астрономічним спостереженням. Це також пояснювало б, чому ми досі не бачили жодних ознак випаровування ПЧД — вони просто ще не мали достатньо часу, щоб розпастися через свій стабілізуючий темний заряд.

Звичайно, ця гіпотеза є надзвичайно спекулятивною і ґрунтується на існуванні недоведених частинок та взаємодій. Проте, її привабливість полягає в тому, що дослідникам вдалося знайти теоретичний механізм, який дозволяє первинним чорним дірам сформуватися в ранньому Всесвіті, отримати достатній заряд для продовження свого життя і при цьому бути достатньо чисельними, щоб пояснити спостережувану кількість темної матерії. Це елегантне поєднання вирішує одразу кілька проблем попередніх моделей ПЧД як темної матерії.

Попереду ще багато роботи, щоб хоча б почати перевіряти цю ідею. Наприклад, заряджені ПЧД не можуть залишатися абсолютно прихованими — інакше ми ніколи не змогли б їх виявити і підтвердити теорію. Отже, необхідно знайти спосіб, яким ці заряджені ПЧД могли б себе проявити — можливо, через слабку взаємодію з іншими частинками, гравітаційне лінзування певного типу або інші тонкі ефекти, які ми ще не спостерігали. Це важливий наступний крок, який автори залишають для майбутніх досліджень. Але вже зараз ми можемо оцінити, що життя чорних дір у ранньому Всесвіті могло бути набагато складнішим і цікавішим, ніж ми — і навіть сам Стівен Гокінг — спочатку уявляли. І, можливо, саме в цій складності криється ключ до розгадки однієї з найбільших таємниць космосу.