Детекторы нашли то, что искали со времён Большого взрыва? Новый кандидат взволновал всех

Учёные, возможно, впервые увидели следы экзотических первичных чёрных дыр — объектов, которые могли родиться в самые первые мгновения после Большого взрыва. Поводом стало необычное событие, зарегистрированное LIGO и Virgo: при слиянии как минимум один из объектов оказался слишком лёгким, чтобы быть привычной чёрной дырой или типичной нейтронной звездой. Вероятность того, что сигнал реален, остаётся спорной, но сама возможность уже всколыхнула астрофизиков.

Что вообще увидели LIGO и Virgo

12 ноября системы LIGO и Virgo выдали автоматическое оповещение о гравитационно-волновом событии. По предварительным оценкам, одна из слившихся компактных масс весила меньше одной солнечной массы — то есть была легче Солнца. Для обычных астрофизических сценариев это почти невозможно.

Обычно:

• нейтронные звёзды имеют 1,1-2,2 масс Солнца;

• чёрные дыры звёздного происхождения — от нескольких до десятков солнечных масс.

Объект легче Солнца просто не вписывается в стандартные модели коллапса звёзд.

"Если это окажется реальностью, то это колоссально", — сказала специалист по астрофизике частиц Джуна Крун.

Она подчёркивает: такое событие "невозможно объяснить традиционными астрофизическими процессами" и требует совсем другой истории происхождения.

Почему тут всплывают первичные чёрные дыры

Первичные чёрные дыры — гипотетический класс объектов, которые могли образоваться не из звёзд, а из флуктуаций плотности в очень молодой Вселенной. Теоретически они могут иметь почти любую массу: от крошечных до солнечных и выше.

Если LIGO действительно поймал слияние чёрной дыры легче Солнца, это почти автоматически выводит нас к двум сценариям:

1. экзотические первичные чёрные дыры;

2. сильно нетипичные нейтронные звёзды, получившиеся крайне необычным путём.

"Если это слияние подтвердится, это может стать неопровержимым доказательством существования популяции первичных чёрных дыр", — отметил астроном-гравитационист Кристофер Берри.

Но и сам он тут же оговаривается: вероятность ложного срабатывания слишком велика, чтобы уже сейчас праздновать "переписанные учебники".

Как устроены детекторы гравитационных волн

LIGO — это два гигантских лазерных интерферометра в США с 4-километровыми плечами, а Virgo в Италии имеет 3-километровые плечи. Проходящая гравитационная волна буквально растягивает пространство, на миллиарды долей процента изменяя длину одного плеча относительно другого. Лазерный свет "чувствует" эту разницу, а интерференционная картина превращается в характерный гравитационно-волновой "чирп".

С 2015 года LIGO и Virgo зафиксировали уже сотни таких "чирпов". Практически все они отлично объясняются слияниями:

• чёрных дыр звёздных масс;

• или нейтронных звёзд.

Новое событие выбивается из этого ряда именно необычно малой массой одного из объектов.

Насколько сигнал надёжен

Для каждого события вычисляют частоту ложных срабатываний — как часто шум детектора случайно имитирует сигнал такой силы. Для этого кандидата сначала получилась цифра "раз в 6,2 года", потом оценку пересчитали до "раз в 4 года".

Для рядового слияния чёрных дыр такому сигналу бы поверили: подобные события происходят примерно раз в несколько дней. Но когда речь идёт о потенциальном открытии принципиально нового класса объектов, планка доверия гораздо выше. Для "революции" этого мало: нужно либо намного более чистое событие, либо серия похожих наблюдений.

Конкурирующие версии: мини-нейтронные звёзды и не только

Теоретики честно пытаются придумать альтернативы первичным чёрным дырам. Один из экзотических сценариев: при коллапсе очень массивной звезды на пути к чёрной дыре может кратковременно сформироваться кольцо материи, а в нём — несколько крошечных нейтронных звёзд, словно "подвески на браслете". Впоследствии они могут сливаться.

Проблема в том, что такие модели сами по себе крайне спекулятивны. Даже сторонники считают их экзотикой, сравнимой по степени фантазии с гипотезой первичных чёрных дыр.

При этом другие известные объекты — вроде белых карликов — просто не могут дать подобный сигнал: они слишком "распухшие" и начинают взаимодействовать друг с другом задолго до тех частот, на которых работают LIGO и Virgo.

Можно ли разобраться только по гравитационной волне

Задача минимум для ближайших месяцев — выжать максимум информации из формы сигнала.

Нейтронные звёзды при сближении и слиянии испытывают сильные приливные деформации, что оставляет характерный "отпечаток" на гравитационной волне. Чёрные дыры, у которых нет твёрдой поверхности, так себя не ведут.

"Мы можем фактически определить, это действительно нейтронные звёзды или чёрные дыры?", — спрашивает астроном-гравитационист Александр Ниц.

Ответ спрятан в тонких деталях "гудения" сигнала: для маломассивных объектов оно может длиться минуты или даже часы, а небольшие отклонения от теории говорят о природе источника.

Таблица "Сравнение": что это могло быть

Советы шаг за шагом: как "следить" за такими открытиями

1. Подписаться на официальные каналы LIGO/Virgo и крупных обсерваторий.

2. Сверять новости в СМИ с препринтами и статьями, а не останавливаться на заголовке.

3. Обращать внимание на слова "кандидат", "возможно", "предварительно" — это маркеры честной неопределённости.

4. Ждать независимых анализов: нередко спустя месяцы появляются работы, уточняющие параметры события.

5. Сохранять скепсис: в науке один странный сигнал — это повод для вопросов, а не для окончательных выводов.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: воспринимать первое же оповещение как доказанное открытие.
  Последствие: завышенные ожидания и разочарование, если сигнал окажется шумом.
  Альтернатива: относиться к таким событиям как к "интересным кандидатам", а не к факту.
• Ошибка: полностью игнорировать оценку ложных срабатываний.
  Последствие: неправильное представление о надёжности данных.
  Альтернатива: смотреть, насколько событие "выбивается" из фонового шума.
• Ошибка: считать, что одна экзотическая модель автоматически верна.
  Последствие: "влюблённость в гипотезу" и игнорирование других объяснений.
  Альтернатива: держать в поле зрения несколько конкурирующих сценариев.

А что если сигнал окажется реальным?

Если событие подтвердят и найдут ещё несколько похожих, это будет означать, что:

• либо в природе действительно есть популяция первичных чёрных дыр малой массы;

• либо нам придётся радикально пересмотреть сценарии рождения нейтронных звёзд.

В обоих случаях это сильный удар по привычной картине эволюции звёзд и распределения тёмной материи. Первичные чёрные дыры уже давно рассматривались как один из кандидатов на роль тёмной материи, и такое наблюдение вернуло бы эту идею в центр дискуссии — пусть и не как единственное решение.

Плюсы и минусы гипотезы первичных чёрных дыр

FAQ

Значит ли это, что первичные чёрные дыры точно существуют?
Нет. Пока речь идёт о кандидате на необычное событие с заметной вероятностью того, что это шум.

Может ли это объяснить тёмную материю?
Если популяция таких чёрных дыр будет подтверждена, они могут составлять часть тёмной материи, но вряд ли всю.

Почему нельзя просто посмотреть оптический всплеск и понять, что это?
Для этого события область на небе слишком большая, а сигнал слишком слабый. Найти оптический "отклик" почти нереально.

Мифы и правда

Миф: "учёные доказали существование первичных чёрных дыр".
Правда: пока есть только один спорный кандидат, которому ещё предстоит выжить под шквалом проверок.

Миф: "если масса меньше солнечной, это точно что-то сверхъестественное".
Правда: это необычно, но теоретически можно придумать и астрофизические сценарии, просто они очень экзотичны.

Три интересных факта

1. Первые гравитационные волны LIGO зарегистрировал только в 2015 году — это очень молодая область астрономии.

2. Некоторые модели предполагают, что первичные чёрные дыры могли образовываться кластерами и даже формировать "семейства" в галактиках.

3. Детекторы уровня LIGO способны измерять относительные изменения длины в тысячи раз меньше диаметра протона.

Исторический контекст

Идея первичных чёрных дыр появилась ещё в 1960–1970-х годах, когда физики пытались понять, что могло происходить в первые мгновения после Большого взрыва. С тех пор:

• космология предложила десятки сценариев их рождения;

• наблюдения по микролинзированию ограничили их вклад в тёмную материю;

• гравитационно-волновая астрономия дала шанс наконец "увидеть" их в динамике.

Но, как метко заметил один из участников обсуждения, пока мы видим не открытие, а лишь возможного "первого кандидата" — и на этом этапе скептицизм вполне уместен.