«По просьбам читателей» — под такой рубрикой могла идти запись дискуссии на YouTube-канале ТрВ-Наука 1. Главный редактор газеты Борис Штерн побеседовал с астрофизиком Сергеем Поповым. Публика давно предлагала им встретиться, а тему для обсуждения выбрали сами ученые — это существование первичных черных дыр (ПЧД). Здесь было о чём поспорить, но, как оказалось в ходе разговора, общего в их взглядах больше, чем различий. Вел беседу популяризатор астрономии Алексей Кудря.
Сергей Попов — российский астрофизик и популяризатор науки, профессор РАН, автор более 200 научных работ по темам релятивистской астрофизики, нейтронных звезд, черных дыр и экзопланет. Ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ. Постоянный автор нашей газеты и участник дискуссий на видеоплатформе ТрВ-Наука.
«Всю астрофизику можно рассказать через первичные черные дыры»
Борис Штерн: Сегодня мы обсуждаем новую тему, хотя она на самом деле старая [1, 2, 3]. Просто в последние годы она стала постепенно «разгоняться», растет число публикаций… Сергей, наверное, лучше меня следит за ними. Какие ваши впечатления?
Сергей Попов: Согласен, статей очень много. В год — несколько десятков, а то и сотня наберется. Они могут носить ограничительный характер: опять что-то новым способом искали и не нашли. А сама идея, что искать можно разными способами, — очень интересная, потому что первичные черные дыры могут быть очень разными. И, в принципе, я думаю, что можно всю астрофизику подавать через первичные черные дыры, обсуждая, как их искали и как они могут себя проявлять. И поэтому столько публикаций.
Алексей Кудря: А расскажите, как вы вообще «вырулили» на эту тему?
С. П.: Действительно, это не самое очевидное, о чём мы можем с Борисом Евгеньевичем беседовать. Дело было так. Борис Евгеньевич читал популярную лекцию, а я ее модерировал. Обсуждалась тема межзвездных перелетов. И был вопрос из зала: «Чего можно было бы такого открыть, что помогло бы нам в межзвездных перелетах?» Я сказал, что можно открыть близкую пару черных дыр, достаточно маломассивных, а значит, первичных, и использовать такую пару как ускоритель. По-моему, о том, чтобы использовать пару компактных объектов как универсальные галактические ускорители для звездолетов, говорил Фримен Дайсон еще в 1960-е годы. А близкая пара первичных черных дыр может быть внутри Солнечной системы. То есть вы отлетаете куда-нибудь на тысячу астрономических единиц, взаимодействуете с этой парой и ускоряетесь в нужном направлении до очень большой скорости.
На что Борис Евгеньевич разумно сказал, что это ерунда, потому что такого не существует. Мы поняли, что его позиция существенно жестче, чем моя. И возникла идея пообсуждать этот вопрос в деталях.
Б. Ш.: Центральная тема нашей дискуссии — насколько вероятно то, что первичные черные дыры в принципе существуют. Начнем с того, как вообще могли образоваться первичные черные дыры. Передаю слово Сергею.
С. П.: На мой взгляд, первичные черные дыры — это настолько хорошая и — в последние несколько десятилетий — очевидная идея, что в любой космологической модели от них трудно избавиться. Не уверен, что легко сделать космологическую модель, где первичных черных дыр вообще не будет.
Идея следующая. По данным наблюдений, распределение плотности с самого начала Вселенной, точнее, после окончания инфляции, неоднородно. Мы это видим — есть крупномасштабная структура, флуктуации реликтового излучения и т. д. Есть представление о масштабе этих флуктуаций. Можно посмотреть, что будет происходить с веществом. Важно, чтобы вещество оказалось под текущим горизонтом, тогда эта область воспринимается как единое целое.
Важно, что черные дыры в принципе могут иметь любую среднюю плотность. Допустим, может ли черная дыра иметь плотность как у воды? Может, и ее размер будет таким-то. А может как у воздуха? Да, и размер будет таким-то. А как у стали?.. Соответственно, в ранней Вселенной есть самые разные флуктуации плотности. И вокруг каждой точки мы можем нарисовать свой горизонт. Он расширяется, какие-то мощные флуктуации плотности попадают под него, и тогда они начинают коллапсировать. Что будет с веществом дальше? Это надо аккуратно считать, потому что есть начальные условия с расширением, есть конкретные значения температуры и плотности вещества. И проведя эти расчеты, люди показали, что при более или менее разумных предположениях какое-то количество флуктуаций, попав под горизонт, будет коллапсировать в черные дыры. А вот с количественным ответом — т. е. каких они будут размеров, какой будет спектр масс этих черных дыр — возможны разночтения. Но самого утверждения, что какая-то часть флуктуаций схлопнется в черные дыры в очень ранний период времени, скажем, в первую секунду, мне кажется, избежать в космологической модели очень трудно.
Б. Ш.: Проблема здесь в том, что эти флуктуации плотности достаточно слабые. Мы знаем, какие они, по реликтовому излучению — чуть больше чем 10–5. При упрощающих предположениях горизонт, вернее, материя под горизонтом схлопывается в черную дыру при превышении средней плотности под горизонтом на одну треть. А у нас 10–5. Можно сказать так: нам нужна флуктуация на уровне 10 тыс. сигма. Вероятность — безумно маленькая, почти ноль. Надо что-то изобретать. Я могу перечислить некоторые способы, но все они связаны с ухищрениями, с дополнительными сущностями.
С. П.: Думается, ситуация не настолько плохая. Относительная величина флуктуации в ранней Вселенной может быть больше. Мне не кажется, что данные по реликту противоречат идее о том, что часть флуктуации будет давать первичные черные дыры. Есть немало расчетов, которые согласуются с этими данными и при этом дают достаточно большое количество первичных черных дыр. Это вопрос не философский, а вопрос прямого счета.
Б. Ш.: Есть, я даже могу назвать. Можно «спрятать» эти флуктуации, уведя их в область самых маленьких размеров, которые мы уже не видим, потому что недостаточно нашего разрешения в реликте. Более того, всё замывает так называемый эффект Силка. Мало того что неоднородности трудно разрешить, так еще и фотоны диффундировали из них. То есть, в принципе, это можно организовать, но нужно ухищряться.
С. П.: Часть «ухищрений» вполне естественна и логична. Потому что есть, например, фазовые переходы в ранней Вселенной. И они будут приводить к дополнительным флуктуациям, как раз мелкомасштабным. И это не выглядит чем-то противоестественным. Не нужно вводить Новую Физику, а нужно делать предположения, которые очень хорошо укладываются в общую картину.
Б. Ш.: Это правильно, но, скорее всего, Новую Физику вводить все-таки нужно. Там та же проблема: если присутствовали фазовые переходы, где было, скажем, пылевидное состояние, благоприятное для возникновения первичных черных дыр, нам всё равно его надо «прятать», чтобы это не сказалось на спектре наблюдаемого реликтового излучения. Это можно сделать.
Как ищут первичные черные дыры
Поскольку первичные черные дыры не излучают свет (пока не испарятся), астрофизики применяют ряд методов, в основном косвенных — ищут признаки существования ПЧД в наблюдениях других явлений. Вот основные методы:
Хокинговское испарение (гамма- и радиоастрономия). Попытки обнаружить взрыв в финале испарения черной дыры малой массы (около 1015 г, меньшие уже исчезли).
Гравитационное линзирование. ПЧД от астероидных до земных и солнечных масс.
Поиск признаков захвата и «поедания» компактных объектов (нейтронной звезды, белого карлика). ПЧД массы крупных астероидов (так называемое астероидное окно).
Статистика по существованию широких систем двойных звезд в галактиках, где много темной материи. Тяжелые ПЧД солнечных масс и выше должны «растаскивать» эти системы — тогда их было бы меньше, чем наблюдается.
Необычный вид гравитационных волн при слиянии двойных ПЧД субсолнечных масс и выше.
Возможная роль ПЧД как зародышей современных сверхмассивных черных дыр (квазаров). Тяжелые ПЧД.
Ни одно из этих наблюдений пока не дало открытия ПЧД, напротив, ученые планомерно закрывают различные области параметров (массы и распространенности), в которых эти дыры могли бы существовать.
«Один из аргументов в пользу первичных черных дыр — существование барионной асимметрии»
Б. Ш.: Теперь я продолжу с чего начал. Люди пытаются «устроить» там, на малых угловых масштабах, всякие акустические резонансы. Предположим, в доступном нам угловом диапазоне мы видим 10–5, а где-то там, далеко-далеко, работало два скалярных поля, два инфлатона, и они так «сыграли» друг с другом, что дали какой-то резонанс на определенной частоте, и спектр взял и «подбросил» зубец. Такое может быть, возразить нечего. Но опять-таки нужна новая сущность, второе поле, чтобы дать этот акустический резонанс.
По поводу фазовых переходов с существующей физикой. Там есть переход Вайнберга — Салама. Это появление поля Хиггса, это классический фазовый переход, когда электрослабые взаимодействия расщепились на слабые и электромагнитные. Проблема в том, что при расчетах и моделировании выясняется: он пошел как-то плавно, в обход критической точки. То же самое с кварками, когда они объединялись в протоны. Эти фазовые переходы, несомненно, были, но они прошли, избегая резких фазовых переходов первого рода, когда у нас выделяется энергия и т. д. То есть должно быть что-то еще. И место для этого «чего-то еще», конечно же, есть. И мне кажется, это самая интересная возможность: что мы не знаем о каком-то фазовом переходе, который ответственен и за первичные черные дыры, и за еще одну очень важную вещь — барионную асимметрию.
С. П.: Да. Бариогенезис — это один из основных кандидатов на фазовый переход, который при этом создает очень узкий спектр масс черных дыр. Дает такую узкую добавку. Есть широкий спектр, связанный с флуктуациями, а есть пичок, такая башня, как у Гауди. Она дает избыток на определенных массах, которые, скорее всего, достаточно малые, что по-своему интересно с точки зрения наблюдений.
Б. Ш.: Для меня существование барионной асимметрии — это один из аргументов в пользу первичных черных дыр. Это загадка, которая обязательно требует какой-то Новой Физики. И эта Новая Физика может оказаться той самой, которая даст нам первичные черные дыры.
С. П.: Согласен. По крайней мере, это одна из возможностей.
Б. Ш.: Думаю, это основная возможность. По крайней мере, сейчас это главная точка, от которой можно отталкиваться. И, возможно, механизм, отвечающий за барионную асимметрию, одновременно создает условия для образования первичных черных дыр.
Это должен быть фазовый переход, за которым следует некоторое время пылевидная стадия. Давление падает до нуля. Термодинамически нарождаются тяжелые частицы. Но они почему-то медленно распадаются. Какой-то закон сохранения мешает им распасться быстро. И вот они живут. Термодинамического равновесия нет — это одно из условий Сахарова для барионной асимметрии. Потом они распадаются и дают эту барионную асимметрию. Они несут в себе CP-нарушения, различия между миром и антимиром. Так вот, они распадаются, а пока существует пылевидная стадия, в ней вполне может выполниться критерий Джинса для коллапса в черные дыры. Вот за этот сценарий я бы мог поставить какой-то вклад.
С. П.: Интересно, что первичные черные дыры, будучи астрофизическими объектами, в первую очередь важны для физики. То есть в астрофизике мы не видим никаких сильных эффектов, с ними связанных, но для физики это прямо ультраважно. И если меня спросить, какое возможное астрономическое открытие стало бы самым важным для «неживой» физики (то есть за вычетом возникновения жизни и разума), я отвечу: финальные стадии испарения первичных черных дыр. Это дает самый прямой доступ к квантовой гравитации, который лабораторно, на ускорителе, мы никогда не получим.
Б. Ш.: Согласен. Это прямо, как это называется, smoking gun 2.
С. П.: Да, и если просто зарегистрировать… насчет одного — не знаю, лучше всё же два-три хорошо прописанных события испарения первичных черных дыр… то это будет совершенно фантастический «буст» для физики. Проблема в том, что неизвестно, где находится гарантированный результат. Он может быть настолько низко, что нужно будет строить детектор каких-то нереалистичных размеров. Поэтому и нет никаких специальных дорогостоящих поисков первичных черных дыр.
«Есть попытки объяснить первичными черными дырами всю темную материю»
Б. Ш.: Сергей, вот изображение из статьи Карра и Кюнеля [4] — ограничения на популяцию черных дыр. Можете ее прокомментировать? Как в ней поставлены эти пределы?
С. П.: Есть много разных ограничений на первичные черные дыры. И все изображения исходят из еще одной гипотезы, о которой мы пока не сказали, потому что оба ее не придерживаемся. Эта гипотеза состоит в том, что первичными черными дырами можно объяснить темную материю. В этом контексте обычно и обсуждается вопрос, много их или мало.
![Рис. 1. Карта современных астрофизических ограничений на долю первичных черных дыр в составе темной материи Вселенной. Закрашены области, где их быть не может. Стрелкой А обозначено астероидное окно. Авторы: Бернард Карр и Флориан Кюнель [4]](https://www.trv-science.ru/uploads/463-0005.png)
Чаще всего предполагается, что все черные дыры имеют одинаковую массу. Например, если на линии значению 10–2 по вертикали соответствует 10–10 массы Солнца по горизонтали, то это означает, что если бы все первичные черные дыры имели массу 10–10 массы Солнца, то их вклад в темную материю не превосходил бы 1%.
Важно, что эта картинка не «закрывает» черные дыры полностью. Для каждой массы вы ставите только верхний предел — то, какую максимальную долю темной материи они могут составлять.
До сих пор существуют люди, которые считают, что на этой картинке есть «окна», позволяющие объяснить первичными черными дырами всю темную материю. Эта гипотеза формально не «убита», но она требует, на мой взгляд, совсем фантастических предположений о том, как первичные черные дыры рождались. Их все нужно «засунуть» в очень узенький диапазон масс, так, чтобы они все попали в это окно и никак не пересекались с остальными ограничениями.
Б. Ш.: Окно не такое узкое — это астероидные массы. Там, по-моему, порядков пять.
С. П.: Про астероидные массы существуют довольно большие разночтения. Есть картинки, где эти массы все-таки «закрыты», есть картинки, где нет. Оценки очень разные и делаются, повторюсь, всеми мыслимыми способами, поскольку первичные черные дыры могут много на что влиять. Например, в астероидный диапазон масс попадают ограничения по гравитационному линзированию гамма-всплесков. То есть в структуре гамма-всплесков люди ищут линзирование, и если его нет (а его не видно), то это дает ограничение на первичные черные дыры. Однако эти оценки довольно зависимы от принятой модели гамма-всплеска.
В астероидный диапазон попадает еще одно, на мой взгляд, красивое ограничение. Если маленькая черная дыра астероидной массы попадает внутрь обычной звезды или планеты, то для нее это совершенно пустое пространство. И она там долго может летать, хватая какие-то отдельные протоны. А вот если она попадает в более плотные объекты — белые карлики или нейтронные звезды — ситуация становится другой. Первичная черная дыра «съест» эту нейтронную звезду или белый карлик — вопрос, как быстро. Тут есть разночтения. Ранние оценки были связаны с тем, что вы брали черную дыру и как бы аккуратно помещали ее в центр нейтронной звезды или белого карлика и смотрели, за какое время она их поглотит. Поскольку вы помещаете ее туда, где плотность максимальна, это произойдет очень быстро. Более реалистично предположить, что черная дыра влетает в нейтронную звезду и долго петляет по ней, тормозится, приближаясь к центру, и это несколько удлиняет время жизни звезды.
Так или иначе, насколько я знаю, самые сильные ограничения на черные дыры астероидных масс получаются как раз из выживания нейтронных звезд и белых карликов. Примерно в тот же диапазон попадают и ограничения по линзированию гамма-всплесков, но, повторюсь, я бы не назвал это каким-то меганадежным ограничителем. Там есть много предположений.
Б. Ш.: Про гамма-всплески, мне кажется, это ерунда, потому что я знаю, что такое гамма-всплески, и оттуда «вытащить» тонкие эффекты очень тяжело. А по поводу нейтронных звезд и черных дыр — да, это интересно, я этого, кстати, не знал.
С. П.: Интересно, что это выяснилось буквально совсем недавно, в 2020-е годы. Люди взялись считать с хорошими уравнениями состояния нейтронных звезд с детальным оседанием внутрь. А до этого были ранние оценки, после которых к этой теме долго не возвращались.
Б. Ш.: Подобные расчеты команда ЦЕРНа проводила, чтобы успокоить публику, мол, нельзя «родить» черную дыру на Большом адронном коллайдере [5]. Потому что такие же черные дыры могли бы возникать и при столкновении космических лучей. И хотя Землю они пролетели бы насквозь, но, попав в нейтронную звезду, «сожрали» бы ее и вызвали какой-нибудь катаклизм. А раз нейтронные звезды никто не «пожирает», значит, и по поводу БАК беспокоиться не о чем. Такой у них был мощный довод.
Да, кстати, какой размер горизонта у черной дыры астероидной массы?
С. П.: Как у протона, например.
Б. Ш.: Или побольше. Скорее это размер атома. И 1015–1020 г такая штука весит!
С. П.: Ограничений много. И периодически люди закрывают какие-то новые окна или ужесточают пределы. Самое интересное, наверное, найти испаряющиеся черные дыры. И есть очень хорошие пределы благодаря работе спутника Fermi-LAT.
Там прелесть в том, что если мы видим последние стадии испарения, несмотря на огромную светимость, полной выделяющейся энергии там очень мало. Поэтому видеть мы это можем только из пределов Солнечной системы. И если это первичная черная дыра, то она будет очень быстро двигаться — со скоростью как у объектов галактического гало. Соответственно, в данных Fermi можно искать не просто какие-то неопределенные объекты, а объекты, движущиеся с определенной скоростью, определенным образом меняющие спектр и светимость. И это очень узкие рамки. Люди искали такие объекты (не нашли) и дали довольно жесткие пределы именно на испаряющиеся черные дыры. Здесь, конечно, закладывается дополнительная гипотеза о хокинговском испарении, которая, напомню, остается гипотезой. Доказать ее верность из первых принципов невозможно. По крайней мере, мы не можем. Поэтому ее нужно проверять экспериментально, но пока этого не произошло.
И самое последнее интересное ограничение — публикация была буквально год назад, и мне понравилось ее название: «Последний гвоздь в гроб» [6]. Там тоже идет речь о темной материи. Люди наблюдали несколько десятков двойных систем в близкой карликовой галактике, где очень маленькая звездная масса и много темной материи. Можно оценить массу гало этой галактики. Они зондировали диапазон масс от 0,1 до 10 солнечных. Если такие первичные черные дыры есть и в них «сидит» вся темная материя, то они разрушали бы широкие двойные звезды. А параметры широких двойных в этой галактике оказались примерно такими же, как в наших окрестностях, где темной материи не должно быть настолько много. И они закрыли еще одно, последнее относительно большое «окно» в солнечных массах — отсюда и название статьи.
Но постоянно появляется что-то новое, и люди проверяют даже совсем экзотические вещи. Так устроена наука: если вы что-то можете ограничить фундаментально — вы это делаете. Иногда забавно бывает. Если посмотреть на картинку, максимальные массы на ней тянутся до 1020 масс Солнца — это даже не сверхмассивная черная дыра в центре галактики, это гораздо больше. Но формально есть ограничения и на такие первичные черные дыры.
«Нет способов отличить, что это — нейтронная звезда или первичная черная дыра»
Б. Ш.: Несколько вопросов в режиме блиц. Ограничения, полученные на черные дыры земных масс — это микролинзирование?
С. П.: Да.
Б. Ш.: Солнечные?
С. П.: Во-первых, линзирование. Во-вторых, результат по двойным системам, которого еще нет на большинстве картинок, потому что результат слишком свежий.
Б. Ш.: То есть именно солнечные массы «навредили» бы в галактиках, где относительно много темного вещества?
С. П.: Да. Но основное ограничение там все-таки по линзированию. И в целом можно считать, что ограничения становятся всё жестче и жестче.
И важно подчеркнуть, что события микролинзирования — это события, связанные с чем-то невидимым. Это не значит, что мы ничего не видим — мы наблюдаем микролинзирование на темных объектах звездных и планетных масс. Это, с одной стороны, формально делает такие события кандидатами в первичные черные дыры, с другой — это невозможно проверить. Зато мы получаем ограничение на их полное число. Но нет способов точно выяснить, что это — то ли нейтронная звезда с массой 1,3 солнечной, то ли черная дыра такой же массы; то ли одинокая планета-сверхземля, то ли первичная черная дыра с такой массой. И я даже не уверен, что такие способы появятся в ближайшем будущем. Если вы обнаружили в нашей галактике одиночную черную дыру типичной массы (5–10 солнечных), вы не можете сказать, имеет она звездное происхождение или первичное. Просто черная дыра.
А. К.: А если мы обнаружили две черные дыры?
С. П.: Обсуждалась идея о том, что когда LIGO и Virgo регистрируют слияние черных дыр с какими-то аномальными параметрами и их трудно объяснять обычными сценариями эволюции двойных систем, то приходят люди, которые говорят, что это пара первичных черных дыр. И тогда всё легко «срастается».
Б. Ш.: Об этом поговорим еще. Если мы как-то определили массу черной дыры, пускай изолированной, по микролинзированию, скажем, там, например, очень высокий узкий пик, и ее масса — половина солнечной, то можно ли сказать, что это первичная черная дыра?
С. П.: Да, но проблема в том, что просто по линзированию этого нельзя сказать. Невидимый объект 0,5 массы Солнца может быть холодным белым карликом. Если он находится в балдже галактики, мы его не увидим.
Б. Ш.: Если очень маленькое прицельное расстояние, когда очень повезло, но это, наверное, очень редкий процесс. Всплеск должен быть мгновенным, какой от белого карлика не получишь. Это, скорее всего, ничтожная вероятность.
С. П.: Согласен.
«Идея, конечно, красивая, но поверить в нее фантастически трудно»
Б. Ш.: Теперь перейдем к следующей части: «Использование первичных черных дыр в народном хозяйстве». Под народным хозяйством я имею в виду теоретиков, которым они помогают писать статьи и добиваться грантов. То есть использование в смысле объяснения каких-то непонятных явлений. Где первичные черные дыры полезны для того, чтобы что-то объяснить? Давайте перечислим.
С. П.: К настоящему моменту LIGO/Virgo зарегистрировали уже несколько сотен слияний двойных черных дыр. Базовая идея — что эти черные дыры родились в обычных двойных или, может быть, в тройных-четверных звездных системах. Как-то они эволюционировали — эволюция двойных систем еще содержит в себе много загадок, тем более, что в далеких галактиках можно играть со многими параметрами, такими как «металличность»3, — и можно, в принципе, всё объяснить, если очень захотеть. Но иногда это требует больших усилий, больших модификаций сценариев. И тогда возникает соблазнительная идея сказать, что пара черных дыр первична. Здесь важно, что первичные черные дыры в некоторых случаях могут образовывать пары, тройки, скопления. Такие варианты тоже обсуждаются, моделируются — скопления первичных черных дыр. И тогда, если просто так не получается объяснить параметры, которые регистрируют LIGO/Virgo (в первую очередь скорость вращения черной дыры и ориентацию осей), то можно прибегать к идее первичных черных дыр. И люди это делают. Есть несколько событий с действительно необычными параметрами, которые пытаются описать таким экзотическим способом. Идея, конечно, красивая; приятно, что люди относительно детально это моделируют, но поверить в нее фантастически трудно. Потому что нужно много таких черных дыр, чтобы они эффективно образовывали пары, сливались за нужное время и т. д.
Б. Ш.: Еще польза в народном хозяйстве из относительно свежего, за последние несколько лет, — это ранняя Вселенная. Ну как ранняя? Это красное смещение порядка 10 или поменьше — от 5 до 7. Наблюдаются сверхмассивные черные дыры, квазары, которые вроде бы слишком тяжелые для такого времени. И говорят, что их рост должен был начинаться с большой затравочной массы, которую обычные звезды им не дадут. Затравка должна быть около 100 тыс. солнечных масс. То есть первые 280–300 млн лет должна была существовать затравочная черная дыра с массой 10–100 тыс. солнечных, и тогда через 600 с чем-то миллионов лет из нее мог бы получиться такой квазар. А просто так из звездной массы — не мог, потому что не успел бы дорасти.
Там есть ограничение. Оно называется эддингтоновский предел. Вот это, пожалуй, самый шумный аргумент в пользу первичных черных дыр. Как работает этот предел? Если объект (в данном случае — внутренняя часть аккреционного диска, которая разогревается перед тем как упасть в черную дыру) светит слишком ярко, то энергия этого излучения расталкивает падающее вещество сильнее, чем его притягивает гравитация. Но есть загвоздка. А сколько энергии от падающего вещества выделилось в излучение? Берем некое стандартное значение: 1/10 от mc2 упавшего вещества. И тогда получается эддингтоновский темп аккреции. Выходит, что квазар не может вырасти больше, чем на порядок, за 50 млн лет.
Эффективность аккреции — вещь очень мутная, потому что считается она в каких-то простых приближениях. Тогда и получается эта самая 1/10. А если идет не сферически-симметричная аккреция, если есть всякие неустойчивости, если кидать в эту черную дыру целиком какие-то объекты, эддингтоновский предел уже не работает. И эффективность окажется уже не 10%, а только 5%. И всё, снимаются абсолютно все ограничения, все недоумения. Так что по поводу первичных черных дыр — это не аргумент.
Следующий аргумент: слишком раннее образование галактик. На самом деле все эти вещи «обходятся», и даже их не надо обходить — надо просто считать аккуратнее — не в каких-то там простейших приближениях, а более точно учитывать всякие флуктуации, и, я думаю, все эти противоречия снимутся.
Так что все шумные заявления, мол, «Джеймс Уэбб» что-то опроверг или «Джеймс Уэбб» доказал наличие первичных черных дыр — это не очень серьезно. Больше относится к сфере пиара, чем к сфере науки.
Есть еще одно соображение в пользу первичных черных дыр: если из сливающихся пар одна слишком тяжелая и попадает в некий зазор, типа сто с чем-то масс Солнца, которые не могут получиться коллапсом из звезды.
«Мы слишком привыкли к двойным системам, а могут быть и тройные»
С. П.: Но там очень хорошо работают тройные системы. Мы слишком привыкли думать, что важны двойные системы, но они могут быть и тройные, и с бо́льшим числом звезд. И, похоже, что там, где звезда слишком массивная, она сама является результатом слияний. Это неплохое и, главное, довольно естественное объяснение.
Доля тройных звезд среди массивных систем огромная. Их даже больше, чем двойных. Поэтому такая вероятность очень велика. Просто взаимодействие обычно попарное, а третья звезда в системе где-то далеко. Две слились — и вы всё равно получаете двойную систему.
Б. Ш.: И это ведь в ранней Вселенной! Там были гигантские звезды гораздо большей плотности, и галактики были более плотные.
С. П.: Но все-таки, чтобы сделать нормальную тройную систему, надо, чтобы «металличность» уже была как минимум не первичная.
Б. Ш.: А зачем?
С. П.: Вероятность мала. Обычно в мини-гало при нулевой «металличности» формируется один массивный объект. Сформировать тройку из очень массивных пока вроде бы не получается. В принципе, есть расчеты, которые дают несколько звезд, в том числе и легких. Но вот именно в том числе легких. А сделать несколько массивных, да еще гравитационно связанных, будет проблематично. И поскольку первичные черные дыры многие любят обсуждать, то немедленно возникает идея, что в слиянии участвует первичная черная дыра, «съевшая» нейтронную звезду. Это сделать несколько проще. И если будет надежная регистрация слияния двойной системы с участием черной дыры с массой, скажем, 2,1 массы Солнца и меньше, то это по астрофизическим меркам станет доказательством существования первичных черных дыр.
Б. Ш.: Вопрос вдогонку. Произошло слияние объектов, скажем, десяти и одной солнечных масс. Можно ли надежно утверждать по каким-то характеристикам, что объект одной солнечной массы — это не нейтронная звезда, а черная дыра?
С. П.: Вообще говоря, трудно. Потому что в подавляющем большинстве случаев слияние нейтронной звезды и черной дыры приводит к тому, что нейтронная звезда приливным образом разрушается, образуется аккреционный диск вокруг черной дыры, и мы что-то будем видеть в электромагнитном диапазоне. Килоно́вую, еще что-то. Может быть, форма гравитационной волны как-то поплывет в конце. Но, в принципе, возможны ситуации, когда нейтронная звезда «проглатывается» целиком. Это зависит от комбинации параметров, от массы и размера нейтронной звезды, от вращения черной дыры, от того, где будет лежать последняя устойчивая орбита. И однозначно утверждать трудно, но можно получить хорошие аргументы, чтобы сказать, что 90% популярных уравнений состояния не позволяют это объяснить, и поэтому легкий объект надо считать черной дырой. Такое вполне может быть.
Б. Ш.: И, наверное, второй компаньон, который точно черная дыра, должен быть не слишком тяжелым? Иначе он действительно поглотит его целиком.
С. П.: Буквально совсем недавно был проведен анализ относительно наличия первичных черных дыр в данных LIGO. До этого было несколько заявлений о том, что зарегистрированы черные дыры малых масс. И наконец-то сама LIGO провела анализ. Они специально смотрели массы меньше массы Солнца. И ничего не обнаружили. Речь идет о событиях-кандидатах, которые из-за необычных форм не прошли тесты и не вошли в три сотни «хороших», опубликованных к тому моменту событий. Работа с ними показала, что ни одно из них не может считаться достаточно серьезным кандидатом в черные дыры субсолнечных масс. А команда LIGO использует много разных алгоритмов, там всё делается очень серьезно и аккуратно. Так что гравитационно-волновые ограничения становятся всё лучше и лучше, но они, естественно, работают только с двойными объектами.
«Если первичные черные дыры найдутся, это будет большой привет из самой ранней Вселенной»
Б. Ш.: Теперь подведем итоги.
С. П.: Я выскажу три тезиса. На мой взгляд, предсказания космологических моделей говорят скорее в пользу существования первичных черных дыр. Вопрос в их количестве. Их действительно может быть очень мало, но вообще избежать их существования практически невозможно.
Первичные черные дыры фантастически интересны для физики как с точки зрения их происхождения, так и с точки зрения их финальных стадий испарения.
А вот темную материю, на мой взгляд, они объяснить не могут. С другой стороны, поскольку они есть, то вполне разумно и интересно фантазировать, размышлять над тем, где и как они могут проявляться в астрофизике. А любое такое рассуждение автоматически приведет к очередному пределу на количество черных дыр той или иной массы.
Б. Ш.: Теперь мое заключение. С первым тезисом Сергея я не согласен. Сформулирую так. Стандартная космологическая модель с известной нам физикой предсказывает, что нет ни одной первичной черной дыры в пределах горизонта. С другой стороны, эта же самая стандартная космологическая модель не предсказывает и барионной асимметрии. Она предсказывает Вселенную, где одни фотоны и нейтрино, и небольшое количество кварков и антикварков, просто разлетевшихся и не успевших взаимодействовать.
Так что работать надо, и работа интересная. Первичные черные дыры могут быть, если есть какая-то экзотика, если есть какое-то большое непонимание, как на самом деле всё протекало. И место, где их, скорее всего, надо искать, к сожалению, сложное. Его называют Великой энергетической пустыней — это энергии выше ТэВ, которые мы не можем «щупать», — просто не хватает энергии — и до планковских величин, до Великого объединения, есть огромная область в логарифмическом масштабе, где неизвестно, что происходило. Там, наверное, сгенерировалась барионная асимметрия, там могли сгенерироваться и первичные черные дыры. Я довольно скептически отношусь к их существованию, но с энтузиазмом и с пониманием отношусь к людям, которые их ищут и в теоретическом, и в практическом плане. Потому что, если вдруг они найдутся, это будет большой привет всем нам из самой ранней Вселенной. И это, конечно, будет здорово. Такова моя позиция — скептическая, но с надеждой.
А. К.: Теперь вопросы из зала. «Вы говорили про раннюю Вселенную. Как вы считаете, сверхмассивные черные дыры, квазары, могли ли эволюционировать из маломассивных первичных черных дыр?»
Б. Ш.: Конечно, могли, если бы они были. Но это не смертельно нужно. Не обязательно. Они могли стартовать в своей эволюции и от массы очень большой звезды. Скажем, от 100 солнечных масс. А первичная черная дыра массы где-то 104–105 солнечных облегчает то самое появление квазара через 600 млн лет. Облегчает, но не необходима.
А. К.: Еще вопрос читателя. «У меня есть хороший телескоп. Домашний „мини-Хаббл“. Если я направил его в небо, и в этот момент где-то на расстоянии 10 парсек испарилась первичная черная дыра, что я увижу в свой телескоп?»
С. П.: Ничего.
А. К.: А как тогда узнать?
С. П.: Еще раз, смотрите… Когда черная дыра исчезает, в совсем финальной стадии испарения у нее масса уже как у Бориса Евгеньевича и меньше. То есть энергии там будет испущено очень мало. Поэтому, чтобы что-то поймать, нужно, чтобы это было не в 10 парсеках, а в Солнечной системе. Тогда спутники типа Fermi смогут это видеть в гамма-диапазоне. Чуть-чуть лучше ситуация в радиодиапазоне, но она модельно зависимая — если вы наблюдаете радиоизлучение за счет рождения частиц.
Наверное, многие смотрят этот эфир, используя Wi-Fi. А технологию Wi-Fi придумал Джон О’Салливан, который занимался астрофизикой, потому что хотел найти испаряющиеся черные дыры. А Мартин Рис, если я не ошибаюсь, впервые сказал, что их можно регистрировать в радиодиапазоне. Вот тогда расстояния уже могут быть в десятки — сотни парсек. Но в обычный телескоп — нет, ничего не видно.
Как астрофизики помогли создать Wi-Fi
В конце 1970-х Джон О’Салливан искал короткие радиоимпульсы от взрывающихся микро-ЧД (эффект Хокинга). Сигнал должен был быть «размазан» из-за межзвездной дисперсии. Был разработан математический аппарат для выделения этого сигнала. А в 1990-х Джон О’Салливан пришел к идее применить эти наработки для выделения сигнала беспроводной связи, который размывается, отражаясь от стен, потолка и интерьера комнаты. И хотя взрывы микроскопических черных дыр так не были обнаружены, технология, созданная для их поиска, легла в основу ключевого патента стандарта Wi-Fi.
Б. Ш.: А сколько времени испаряющаяся черная дыра светит в диапазоне Fermi?
С. П.: Примерно год.
Б. Ш.: Серьезно? Так долго?
С. П.: Да, поэтому они искали движущиеся источники. Она довольно медленно проходит этот диапазон, так что характерное время — это месяцы. И характерное расстояние, с которого это видно, — несколько тысячных парсека. То есть за поясом Койпера, но даже не в облаке Оорта, поближе.
А. К.: Еще вопрос из зала. «Если первичная черная дыра попадет в Землю, как быстро она наше ядро сожрет?»
С. П.: Она вообще его не сожрет. Пролетит и полетит дальше. Теоретически будет сейсмический отклик. Я не помню, не буду врать про первичные черные дыры. Но похожая штука происходит, если у вас комок странного вещества 4 пролетает сквозь Землю. Скорость будет 200–500 км/c. И люди искали срабатывания сейсмических датчиков по хорде с известной задержкой, которые можно было бы объяснить пролетом невзаимодействующих объектов.
А вот если через человека пролетит первичная черная дыра астероидной массы, то она его убьет. Про это есть статья в arXiv.org: при пролете через тело возникают шоки, разрывы внутренних органов и перегрев 5. Психиатры могут сразу, наверное, придумывать название для нового вида паранойи — боязни первичных черных дыр.
Б. Ш.: Это очень легко создать. Пара публикаций — и паранойя.
А. К.: Так наши читатели могут спать спокойно, Земля в безопасности?
С. П.: Земля в опасности, но по другой причине
А. К.: По какой?
С. П.: По нашей. Самая главная опасность — это мы.
1. Штерн Б. Первичные черные дыры. www.trv-science.ru/2021/09/pervichnye-chernye-dyry
2. Левин А. Реликтовые черные дыры и темная материя. www.trv-science.ru/2024/08/reliktovye-chernye-dyry-i-temnaya-materiya
3. Штерн Б. Откуда взялись мощные ранние квазары? www.trv-science.ru/2021/02/otkuda-vzyalis-moshhnye-rannie-kvazary
4. Carr B. and Kühnel F. Primordial Black Holes as Dark Matter Candidates. arxiv.org/abs/2110.02821v3
5. Giddings S. B. , Mangano M. M. Astrophysical implications of hypothetical stable TeV-scale black holes. arxiv.org/abs/0806.3381
6. Shariat C. et al. Wide Binaries in an Ultra-faint Dwarf Galaxy: Discovery, Population Modeling, and A Nail in the Coffin of Primordial Black Hole Dark Matter. arxiv.org/abs/2509.04555
Словарик
Барионная асимметрия
В ранней Вселенной вещество и антивещество должны были образовываться почти симметрично. Небольшое преимущество вещества над антивеществом привело к тому, что после аннигиляции сохранилось вещество, из которого сформировались галактики, звезды и мы сами.
Горизонт, «под горизонтом»
В расширяющейся Вселенной свет (и любое взаимодействие) не успевает распространиться бесконечно далеко. «Под горизонтом» означает область пространства, которая к данному моменту времени успела стать причинно-связной (то есть частицы в ней «почувствовали» гравитацию друг друга). Масса первичной черной дыры зависит от того, сколько вещества умещалось под этим горизонтом в момент коллапса.
Гравитационное линзирование
Искривление света под действием гравитации, когда между нами и далекой звездой пролетает невидимый объект, например ПЧД. Это вызывает временное изменение яркости звезды, по которому можно оценить массу объекта. Есть и более сложные эффекты — искажение, появление «двойников», в том числе разнесенных по времени.
Испарение Хокинга
Квантовый эффект, предсказанный Стивеном Хокингом. Черные дыры не абсолютно черные: они испускают частицы и теряют массу. Чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется и в итоге взрывается, излучая гамма- и радиоволны.
Критерий Джинса
Условие гравитационного коллапса — масса облака должна превышать джинсовскую массу, которая зависит от температуры и плотности. Чем холоднее и плотнее вещество, тем легче ему сколлапсировать.
Первичные черные дыры
Гипотетические черные дыры, которые образовались не из коллапсирующих звезд, а из флуктуаций плотности в первые доли секунды после Большого взрыва. В отличие от обычных, они могут иметь практически любую массу — от микроскопических (способных испариться за время существования Вселенной) до сверхмассивных.
Переход Вайнберга — Салама
Разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное, сопровождавшееся «включением» поля Хиггса. Открытие и измерение массы бозона Хиггса на БАК показало, что этот переход имел плавный, а не «взрывной» (а-ля кипение) характер, что не создает условий для возникновения ПЧД.
Пылевидная стадия
Состояние Вселенной, в которой доминирует не излучение, а тяжелые долгоживующие частицы, которые ведут себя как пыль. Давление в ней падает практически до нуля, как у пылинок в вакууме, и они не препятствуют сжатию.
Условия Сахарова
А. Д. Сахаров сформулировал три условия, необходимые для генерации наблюдаемой барионной асимметрии в ранней Вселенной: нарушение барионного числа, нарушение C- и CP-симметрий (процессов с участием частиц и античастиц) и отклонение от термодинамического равновесия. Возможно, один и тот же неизвестный механизм породил и тяжелые частицы для барионной асимметрии, и флуктуации для первичных черных дыр.
Эддингтоновский предел
Для звезды — максимальная светимость, при которой давление излучения уравновешивает гравитационное сжатие. Если излучения становится недостаточно, может произойти коллапс. Для черной дыры — максимальная светимость излучения аккрецирующего вещества, при которой давление излучения не препятствует падению газа. При превышении предела аккреция останавливается или замедляется.
Эффект Силка
Один из механизмов, «стирающих» анизотропию реликтового излучения (фонового излучения, возникшего в эпоху рекомбинации — примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва). Он связан с флуктуациями плотности барионов (обычной материи) в ранней Вселенной.
1 youtu.be/N1iIes8F3Xc (см. также vk.com/trvscience и rutube.ru/channel/36379070/)
2 Идиома “Smoking gun” («дымящийся пистолет») используется для обозначения неопровержимого доказательства или улики.
3 В астрофизике — концентрация элементов тяжелее водорода и гелия в звездах или иных астрономических объектах.
4 Странная кварковая материя (strange quark matter, SQM) — гипотетическая форма плотной материи, состоящая из странных (strange) кварков, в отличие от обычного вещества, образованного из up- и down-кварков.
5 “Gravitational Effects of a Small Primordial Black Hole Passing Through the Human Body”. arxiv.org/abs/2502.09734