Новая сущность. Часть 11. Взаимодействие черных дыр с темной материей

Часть 10. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/10.html

    Федор Дергачев

    В разделе «Правила схватки: на кону – Вселенная» я писал, что весной 2012 года искал ответы на некоторые вопросы, в том числе о взаимодействии черных дыр и темной материи. Ответы были получены, причем оказались достаточно интересными.

    «Дело темное»: взаимодействие черных дыр с темной материей

     «Есть мнение, что вся темная субстанция, видимо, большая гадость, потому что ее не «едят» даже черные дыры - самые прожорливые монстры космоса. На днях, к примеру, дыра из созвездия Дракона поглотила звезду размером с Солнце, но в миллион раз его массивнее (см. на сайте kp.ru за 17.06.2011). Дыры вообще, как пылесос, втягивают в себя все, что очутится рядом: любую материю, энергию. А тут темного вещества вокруг них - пруд пруди, но они им брезгуют - не всасывают.
    Брезгливость монстров-обжор так заинтриговала ученых - докторов Ксавьера Хернандеза и Уильяма Ли из Мексиканского национального автономного университета (UNAM), - что они решили узнать, а что было бы со Вселенной, если бы темная материя и энергия пришлись по вкусу черным дырам? Они создали компьютерную модель, согласно которой черные дыры, в миллиарды раз массивнее Солнца, поглощают темное вещество «с большим аппетитом». И оказалось, что при таком развитии сценария все мироздание выглядело бы совсем по-другому. Это была бы другая Вселенная, где нам с вами не было бы места. 
   - Выходит, космическая материя соткана из каких-то специально «несъедобных» нитей, чтобы формирование галактик на протяжении миллиардов лет происходило только по такому сценарию, который привел бы к возникновению человечества, - предполагает доктор Хернандез. - А значит, есть надежда, что темная субстанция вопреки прогнозам не поглотит Вселенную.

    Но для того чтобы дать точное предсказание, нужно узнать, из чего она - субстанция - состоит.
    - А мы ни черта не знаем, что делать дальше! - так в сердцах воскликнул профессор Марк Дейвис из Университета в Беркли, которому в мае присудили престижную премию в области космологии в размере $500 тысяч за… изучение темной материи...» («Темную материю не "едят" даже черные дыры». «КП» 29 Декабря 2011 года).

    «Статья, подписанная Корменди и Бендером, ставит под сомнение гипотезу, согласно которой внутригалактические черные дыры растут под прямым воздействием темной материи, содержащейся в галактических гало. Авторы утверждают, что эта гипотеза никак не подкрепляется статистическим анализом свойств множества известных галактик. В частности, безбалджевые галактики содержат черные дыры минимальной массы, хотя они нередко окружены очень массивными облаками темной материи. В общем, заключают Корменди и Бендер, «нет никаких оснований ожидать, что экзотические физические свойства небарионной темной материи, которые до сих нам еще неизвестны, непосредственно влияют на рост внутригалактических черных дыр». Так что кесарю кесарево, а богу богово». (3.02.2011. Источник: John Kormendy, Ralf Bender. Supermassive black holes do not correlate with dark matter haloes of galaxies // Nature. 20 January 2011. V. 469. P. 377–380. Doi:10.1038/nature09695). Астрономия, Алексей Левин | Комментарии   

    «У черных дыр нет волос»    

    Слияние черных дыр

    «Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонта никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

    Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

    Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются «лоб в лоб» и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр». (Новиков И.Д. «Черные дыры и Вселенная». – М,: «Мол. гвардия», 1985, стр. 45. Глава 3 «Энергия из гравитационной бездны». Раздел «Бездонные черные дыры»).

    «Что произойдет, если две черные дыры столкнутся друг с другом? Образуют ли они новую, более массивную черную дыру? Астрофизик Дэвид Меррит полагает, что грандиозные гравитационные возмущения могут привести к обратному результату: одна из черных дыр может даже покинуть приютившую ее галактику. Причем чем меньше галактика, тем больше шансов на подобный исход. Наблюдений, подтверждающих правоту Меррита, пока нет, однако его теория объясняет, почему в карликовых галактиках и шаровых скоплениях черных дыр не обнаружено (не очень понятно, что делать с черными дырами в шаровых скоплениях G1 и M15, но Мерриту, вероятно, виднее)». («Большой взрыв и черные дыры»). http://www.scorcher.ru/art/science/theory/theory.php

    Нейтронные звёзды пролили свет на тёмную материю

    «Физик Крис Коуварис из Университета Южной Дании использовал данные по наблюдаемым нейтронным звёздам, чтобы проверить уровень взаимодействия с ними частиц тёмной материи, равно как и взаимодействие последних между собой. 

    Выяснилось, что либо тёмной материи в окрестностях наблюдаемых нейтронных звёзд никогда не было, либо взаимодействие тёмной материи носит необычайно слабый характер.

    Сегодня все наши знания о тёмной материи сводятся в основном к тому, что она есть и мы её не видим. За пределами этого — лишь гипотезы о природе явления. Им нет числа, но подтвердить или опровергнуть их пока не удаётся. Физик Крис Коуварис, возможно, нашёл выход из этой ситуации.

    Считается, что тёмная материя может существовать в форме вимпов - гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц, из четырёх фундаментальных взаимодействий участвующих только в двух - слабом и гравитационном. Однако мы предельно мало (и это мягкий эквивалент слова «ничего») знаем наверняка о взаимодействии вимпов и тёмной материи между собой. Чтобы ликвидировать этот пробел, датский исследователь обратился к нейтронным звёздам.

    По мере своего движения по галактике нейтронная звезда перемещается через тонкое относительно однородное гало из тёмной материи. Нейтронная звезда, с её исключительной плотностью, должна взаимодействовать с тёмной материей и концентрировать её часть на орбите вокруг себя. При этом часть тёмной материи неизбежно должна оказываться внутри нейтронной звезды - ведь взаимодействие вимпов и обычных частиц очень невелико, и обычная материя не может остановить такое накопление внутри нейтронной звезды. Если этот механизм накопления действует эффективно, нейтронная звезда должна со временем превысить предел Оппенгеймера - Волкова и сколлапсировать в чёрную дыру.

Сильное гравитационное поле нейтронных звёзд удерживает вокруг них газопылевые диски и даже планеты, но не может притянуть достаточно тёмной материи, хотя её должно быть вшестеро больше обычной. Почему? (Илл. NASA's Rossi X-ray Timing xplorer)

    Или нет? Ответ на этот вопрос очень важен: не ясно, может ли тёмная материя влиять только на очень массивные объекты типа галактик или способна воздействовать и на такие массивные и компактные небесные тела, как нейтронные звезды. Чтобы разобраться в этом, датчанин исследовал старые нейтронные звезды, находящиеся относительно близко к Солнцу, в частности J0437-4715 и J0108-1431 (140 и 130 пк от Земли соответственно). Звёздам этим более миллиарда лет, однако они всё ещё существуют, хотя, по предпринятому исследователем моделированию, за миллиард лет плотность вимповской тёмной материи должна была породить черную дыру и, естественно, спровоцировать коллапс нейтронной звезды. Этому не могла помешать даже периодическая взаимная аннигиляция ряда вимпов: вероятность такой аннигиляции крайне невысока и не может существенно замедлить процесс накопления тёмной материи в гравитационной потенциальной яме.

    По полученным г-ном Коуварисом ограничениям на скорость аккреции тёмной материи вокруг нейтронных звёзд площадь эффективного поперечного сечения для вимпов получилась порядка 10^–45 см², хотя не исключена вероятность 10^–48 см². Напомним, что для ядра атома эффективное поперечное сечение равно 10⁻²⁴ см². Прежние попытки детектирования вимпов сходились на том, что сечение упругого рассеяния на ядрах для них составляет (2–15)•10^–42 см².

    Вызывает вопрос то, что схлопывания нейтронных звёзд в черные дыры из-за концентрации тёмной материи не происходит. Возможная причина заключается в недостатке тёмной материи вблизи галактического диска. По мнению учёного, лишь длительное наблюдение за нейтронными звёздами в карликовых галактиках-спутниках, окружающих Млечный Путь, может дать ответ на этот вопрос. В галактиках-спутниках тёмная материя должна доминировать, представляя там значительно бóльшую долю вещества, чем в самом Млечном Пути.

    Другим вариантом ответа на вопрос о причинах живучести старых нейтронных звёзд является гипотеза об очень слабом взаимодействии вимпов между собой, что препятствует образованию слишком плотных сгустков тёмной материи и последующему коллапсу нейтронных звёзд в черные дыры. Если это так, гипотезы о существовании тёмных галактик окажутся несостоятельными: тёмная материя просто не сможет концентрироваться в столь плотные образования. Подготовлено по материалам Ars Technica». («Нейтронные звёзды пролили свет на тёмную материю». 2 июля 2012 года, 12:56).

    «Новая сущность» проявляется

    Итак, темная материя никак «не хочет» взаимодействовать с черными дырами. Что касается концентрации ее в галактиках, то она проявляет странное «нежелание» группироваться в центре галактик, «скромно» ограничиваясь размещением на окраинах.

    Не похоже, что она «охотно» собирается в сгустки, вокруг которых концентрировалось бы обычное вещество. Скорее наоборот – оно само «с удовольствием» собирается вокруг такого вещества.

    Не слишком ли «вольно» (я специально собрал все соответствующие эпитеты в кавычки) ведет себя пресловутая темная материя – субстанция, по уверениям теоретиков в шесть раз превосходящая по массе обычное вещество?

    Поэтому для начала делаю шаг назад – признавая гравитационное линзирование, считаю его не следствием влияния темной материи, а пока лишь эффектом скрытой массы, к проблематике которой впоследствии необходимо будет вернуться.

    А «галактический парадокс» и набор «странностей» галактик, упомянутых в разделе «Новая сущность в спиральных галактиках», явно вышедшие за пределы «бритвы Оккама», как раз и принуждают к привлечению новой сущности, как бы ни было это неприемлемо для научных «бонз», привыкших считать принцип указанной «бритвы» выше любой истины.    

    Сверхмассивные  черные дыры поставили под сомнение природу темной материи

    «Темная материя, возможно, распределена во Вселенной иначе, чем предписывают большинство из существующих теорий. К такому заключению пришли астрономы, изучающие поглощение темной материи черными дырами. Выводы ученых опубликованы в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society». Коротко работа описана в пресс-релизе Королевского астрономического общества Великобритании.

    Темной материей, или скрытой массой называют пока не обнаруженную экспериментально субстанцию, которая участвует в гравитационных взаимодействиях, но не участвует в электромагнитных. Гипотеза о существовании темной материи была предложена после того, как астрономы обнаружили, что массы известных астрономических объектов недостаточно для того, чтобы они взаимодействовали так, как это наблюдают ученые.

    Авторы нового исследования строили математические модели поглощения темной материи черными дырами - объектами со столь сильным гравитационным полем, что даже излучение не способно его покинуть. Большинство гипотез, описывающих свойства темной материи, предполагают, что она существует в виде плотных "комков". Согласно новым данным, если бы это предположение оказалось верным, то сверхмассивные черные дыры (массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца) в молодой Вселенной, засасывая в себя огромные количества темной материи, изменили бы облик Вселенной до неузнаваемости. Другими словами, если бы темная материя была распределена так, как считается, окружающее космическое пространство выглядело бы сейчас совершенно иначе.

    Ученые определили критическое значение плотности темной материи - семь солнечных масс на каждый кубический световой год. По утверждениям авторов работы, темная материя не может быть упакована с большей плотностью даже локально». («Черные дыры поставили под сомнение природу темной материи». (23.03.2010, 10:52:26). Источник – «Supermassive black holes: hinting at the nature of dark matter?» http://www.ras.org.uk/news-and-press/157-news2010/1745-supermassive-black-holes-hinting-at-the-nature-of-dark-matter - пресс-релиз Королевского астрономического общества Великобритании, 22.03.2010).

«Тайна темной материи / The Mystery of Dark Matter» 

    А теперь проанализирую различные, порой противоположные точки зрения на проблему «Галактического парадокса».

    Галактический парадокс

    «Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами - формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной». (Игорь Сокальский, кандидат физико-математических наук. «Темная материя». «Химия и жизнь» №11, 2006).

    «Важную роль в развитии гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной играла скрытая масса. Поскольку она состоит, вероятно, из слабовзаимодействующих частиц, давление излучения не могло препятствовать образованию огромных облаков темной материи. Эти облака явились теми "потенциальными ямами", которые после рекомбинации послужили зародышами для конденсации газа. Массы облаков темного вещества зависели от масс составляющих их частиц. Если темная материя состоит из нейтрино (так называемая горячая темная материя), то массы облаков примерно соответствовали массам сверхскоплений галактик. В этом случае первыми образовывались прото-сверхскопления галактик, которые затем распадались из-за гравитационной неустойчивости на протоскопления и протогалактики (эволюция "сверху вниз"). В настоящее время этот сценарий отвергается большинством ученых. Дело в том, что в моделях с горячей темной материей галактики должны формироваться очень поздно, при красных смещениях около одного-двух, но в настоящее время открыто очень много гораздо более далеких галактик и квазаров.

    Если же темная материя состоит из частиц более высокой массы, чем масса нуклонов (гравитино, фотино и др.: холодная темная материя), то массы облаков были гораздо меньше масс отдельных галактик. В этом случае первыми образовывались объекты типа звездных скоплений, которые затем скучивались в системы более высокого уровня (эволюция "снизу вверх"). Этот сценарий сейчас считается наиболее вероятным. Сильным доводом в его пользу является тот факт, что далекие галактики, попавшие в Хаббловское глубокое поле, меньше по размеру, чем близкие, т.е. современные нам звездные системы — ведь при объединении галактик они должны расти. Не исключено, впрочем, что в будущем победит комбинация этих сценариев, в которой помимо холодной есть и примесь горячей темной материи». (Д.Ю. Климушкин «Космология». 6.4. Усиление неоднородностей в распределении вещества в расширяющейся Вселенной).

    «МЧСВ (массивные частицы слабого взаимодействия) представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что, по крайней мере, часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи. Главная проблема тут в том, что до формирования атомов, то есть на протяжении примерно первых 300 000 лет после большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того, как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но, увы, к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков большого взрыва, и всё вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом состоял так называемый галактический парадокс, ставивший под сомнение саму теорию Большого взрыва.

    Однако, если во всем пространстве объемного большого взрыва обычная материя была перемешана со скрытыми частицами темной материи, после взрыва темная материя, будучи перемешанной с явной, как раз и могла послужить тем самым сдерживающим элементом. По причине наличия огромного числа скрытых тяжелых частиц она первой стянулась под воздействием сил гравитационного притяжения в будущие ядра галактик, оказавшиеся стабильными по причине отсутствия взаимодействия между МЧСВ и мощным центростремительным энергетическим излучением взрыва. Таким образом, к моменту формирования ядер атомов темная материя успела оформиться в галактики и скопления галактик, а уже на них начали собираться под воздействием гравитационного поля высвобождающиеся элементы обычной материи. В рамках такой модели обычная материя стянулась к сгусткам темной материи подобно сухим листьям, затягиваемым в водовороты на темной поверхности быстрой реки. Есть о чем задуматься, не правда ли? Не только мы, но и вся наша галактика, и весь зримый материальный мир могут оказаться всего лишь пеной на поверхности странной вселенской игры в прятки». («Темная материя». «Элементы. Природа науки»).

    «Всё началось вскоре после Большого Взрыва. „Сегодня принято полагать, что флуктуации плотности тёмной материи породили первые структуры, связанные действием гравитации, — так называемые тёмные гало, — отмечает немецкий астроном Андреас Буркерт, автор новой модели рождения Галактики.

    Тёмные гало стали зародышами - ядрами - будущих галактик. Их масса составляла от ста миллионов до десяти миллиардов солнечных масс, они были размером с карликовую галактику. Вокруг них под действием гравитации скапливался газ. Происходил однородный коллапс, как описывает его модель ELS.

    Уже через 500 - 1000 миллионов лет после Большого Взрыва тёмные гало и газовые скопления вокруг них стали „инкубаторами“ звёзд. Здесь возникли небольшие протогалактики. В плотных облаках газа появились первые шаровые скопления, ведь звёзды рождались здесь в сотни раз чаще, чем где-либо. Протогалактики сливались друг с другом — так образовались крупные галактики, в том числе наш Млечный Путь. Сегодня он окружён тёмной материей, древним гало и шаровыми скоплениями звёзд, руинами мироздания, чей возраст достигает тринадцати миллиардов лет.

    В протогалактиках было много очень массивных звёзд. Не прошло и нескольких десятков миллионов лет, как многие из них взорвались. Эти взрывы обогатили облака газа тяжёлыми химическими элементами. (Поэтому в галактическом диске будут рождаться не такие звёзды, как в гало, они станут содержать в сотни раз больше металлов.)

    Кроме того, эти взрывы породили мощные галактические вихри, которые разогревали газ и выметали его за пределы протогалактик. Вокруг них образовались раскалённые пузыри газа. Так произошло разделение газовых масс и тёмной материи. Это была важнейшая стадия формирования галактик, не учтённая прежде ни в одной модели.

    „Если газовые массы покидали тёмные гало до образования галактики, то они сохраняли свой момент количества движения, тогда как звёзды, оставшиеся в гало, теряли его, поэтому сейчас их момент количества движения намного ниже, чем у галактического диска“, - поясняет Буркерт.

    Итак, в протогалактиках оставалось всё меньше газа. Процесс образования звёзд прекратился. Вот почему рядом с Млечным Путём расположен всего десяток карликовых галактик, а не сотня их, как того требует модель SZ.

    Тем временем тёмные гало всё чаще сталкивались друг с другом. При этом протогалактики вытягивались или распадались. Об этих катастрофах напоминают цепочки звёзд, сохранившиеся в гало Млечного Пути со времён „юности“. Изучая их расположение, можно оценить события, протекавшие в ту эпоху. Постепенно из этих звёзд образовалась обширная сфера - видимое нами гало…

    Тёмные ядра протогалактик не распались до сих пор. Ещё и сегодня эти призрачные сгустки материи, весящие в сотни миллионов раз больше Солнца, снуют вокруг нашей Галактики. Ещё и сегодня они пересекают галактический диск, взвихряя газопылевые облака и сгущая их. Там, где „метеором“ пронесётся этот огромный невидимый ком, зарождаются новые звёзды. Лишь через необозримое время (по разным расчётам, на это уйдёт от 10 до 100 миллиардов лет) все тёмные ядра рухнут в центр Галактики, в недра черной дыры…» (Александр Волков «Млечный Путь рождается по всем правилам науки»).

    «Новая сущность». Часть 12. «"Ловушка" теории Большого взрыва». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/12.html

    На эту тему:
    «Апология необъяснимого». Часть 5. Раздел «Гипотеза «темной материи» не дает решения галактического парадокса». (3 мая 2013 года). http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/05/5.html