Дыры вместо частиц: Темное дело
Напомним, что концепция темной материи родилась, после того, как астрономы обнаружили, что наблюдаемая масса масштабных космических объектов — галактик и их скоплений — существенно меньше, чем та, которую можно получить, исходя из расчетов их гравитационного влияния друг на друга. Часть массы должна быть скрытой, — решили ученые, — она не видима ни в одном из диапазонах волн и проявляет себя лишь гравитацией. Эта скрытая масса и названа темной материей.
Однако проблемы эта идея порождает немалые. Взять хотя бы две из них. Во-первых, современная теория позволяет с высокой степенью точности описать свойства всех известных элементарных частиц и их составляющих, неплохо предсказывает все новые открываемые частицы. Но ни одна из них не соответствует по своим свойствам мифическим частицам, которые могли бы составлять темную материю. По расчетам, они не должны нести электрический заряд, обладать очень долгим временем жизни и медленной скоростью. Словом, для того, чтобы такая частица вписалась в современные физические представления, представления эти придется существенно скорректировать.
Вторая проблема — практическая. Десятилетия и сотни миллионов долларов потрачены на поиски частиц темной материи, но без всякого результата. Не раз звучали сообщения о долгожданной находке, но снова и снова оказывалось, что это то ошибка расчетов, то неверная оценка фонового шума, то еще что-то. Мы писали об этом в заметках «То ли шум, то ли частицы» и «Темная история».
В общем, раздаются уже и голоса скептиков, которые призывают найти какое-нибудь другое, лучшее объяснение эффекту «скрытой массы». Один из таких ученых-нонконформистов — Пол Фрэмптон (Paul Frampton), который выдвинул весьма интересную идею о том, что скрытая масса представляет собой микроскопические черные дыры, слишком крохотные, чтобы их можно было наблюдать имеющимися у нас инструментами, но достаточно большие, чтобы не испаряться моментально в результате излучения Хокинга. Мысль выглядит довольно странной, однако у Фрэмптона и его команды имеется довольно существенный аргумент в пользу этой версии.
Для начала ученые оценили, какой максимальной энтропией могла бы обладать Вселенная — то есть, какая бы энтропия была бы у нее, если б она вся была гигантской черной дырой? Напомним, что из всех объектов мироздания черная дыра обладает максимальной энтропией (читайте: «Мера хаоса Вселенной»). Расчеты показали, что в этом случае величина энтропии приближалась бы к 10123. Это — верхний предел.
Затем была проведена нижняя граница: ученые рассчитали и суммировали энтропию всех потенциально известных нам черных дыр во Вселенной. Они просто предположили, что в центре каждой из галактик имеется по сверхмассивной черной дыре, и посчитали среднее количество и величину. Это дало цифру в 10103, тоже огромную, но все-таки на много порядков ниже.
При этом Фрэмптон с коллегами высказывают сомнение в том, что сверхмассивные черные дыры вносят решающий вклад в энтропию Вселенной, как целого. «Каждая из них имеет размеры не более Солнечной системы, а то и меньше, так что на уровне интуиции (курсив наш — ПМ) сложно решить, что энтропия Вселенной столь "концентрированна"", — говорит Фрэмптон. По его мнению, дополнительным "генератором хаоса" должны выступать другие объекты.
Обычная материя в этом качестве выступать не может: расчеты показывают, что ее вклад в общую энтропию не превышает 1088, так что остальное стоит отнести за счет скрытой массы. Например, черных дыр иного размера. Теория показывает, что черные дыры массой больше 106 солнечных будет препятствовать формированию галактик, а меньше 10−8 солнечных масс — моментально испаряться в результате излучения Хокинга. Так что, — заключают Фрэмптон с коллегами, — скрытую массу могут составлять черные дыры размерами где-то между этими величинами.
Впрочем, совершенно неясно, как и почему черные дыры этих размеров появились в таком изобилии, которое требуется для того, чтобы они внесли нужный вклад в энтропию Вселенной. Нужен какой-то фактор, по крайней мере на ранних этапах жизни Вселенной заставлявший материю концентрироваться, образуя подобные черные дыры. В современных теориях эволюции мироздания такого фактора не существует.
Есть, однако, у гипотезы Фрэмптона одно неоспоримое достоинство. Ее справедливость сравнительно легко проверить, ведь огромное количество таких черных дыр должны создавать достаточное количество гравитационных линз, притяжение которых искажает траектории пролетающих мимо них фотонов. Есть надежда, что в ближайшее время подобные исследования будут проведены. В отличие от частиц темной материи, гравитационные линзы уже не раз наблюдались астрономами.
Подробнее о темной материи читайте в нашей статье «Эмбрионы галактик».
По публикации MIT Technology Review / arXiv blog
