Помимо таких частиц, как стерильные нейтрино, аксионы и слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP), основными кандидатами на роль холодной темной материи Вселенной являются первичные черные дыры — черные дыры, образовавшиеся из чрезвычайно плотных скоплений субатомных частиц в первые секунды после Большого взрыва.

Первичные черные дыры (PBH) классически стабильны, но, как показал Стивен Хокинг в 1975 году, они могут испаряться посредством квантовых эффектов , излучая почти как черное тело. Таким образом, у них есть время жизни; оно пропорционально кубу их начальной массы. Поскольку с момента Большого взрыва прошло 13,8 миллиарда лет, только PBH с начальной массой в триллион килограммов или больше должны были дожить до наших дней.

Однако было высказано предположение , что продолжительность жизни черной дыры может быть значительно дольше, чем предсказывал Хокинг, из-за эффекта бремени памяти, когда груз информации, переносимый черной дырой, стабилизирует ее от испарения.

Таким образом, ранее считавшиеся испарившимися ПЧД к настоящему времени все еще могут существовать в виде холодной темной материи , легче примерно 10 миллионов килограммов.

Исследовательская группа из Японии предложила обнаружить гипотетическую темную материю PBH, изучая гравитационные волны, вызванные первичными возмущениями кривизны, которые создали PBH. Их работа опубликована в Physical Review D.

«Это исследование является первым в мире, предполагающим, что доказательства того, что ПЧД являются темной материей, будут подтверждены будущими наблюдениями гравитационных волн», — сказал Казунори Кохри из Национальной астрономической обсерватории Японии в Токио, сотрудничающей с несколькими другими физическими исследовательскими организациями в стране.

Несмотря на большое количество (на данный момент) экспериментальных поисков, физикам еще предстоит увидеть признаки темной материи в ускорителях частиц, в подземных и подольдяных детекторах, а также посредством исследования космоса , напрямую или косвенно.

«Если эта ситуация сохранится, кошмарный сценарий темной материи, а именно сценарий только с гравитационно взаимодействующей темной материей, станет важным», — пишут Кохри и его соавторы. Макроскопическая темная материя может быть ответом, как и сценарий PBH, если PBH сохранились до наших дней.

Вывод Хокинга о том, что черные дыры излучают, означает, что они в конечном итоге полностью испарятся и прекратят свое существование. Но расчет Хокинга предполагал полуклассическую черную дыру в течение всего ее существования, игнорируя квантовую обратную реакцию созданных частиц на испаряющуюся черную дыру.

Полное рассмотрение раскрывает эффект бремени памяти, открытый грузинским физиком-теоретиком Гией Двали в 2018 году. Рассматривая черную дыру как конденсат гравитонов, предполагаемых носителей гравитационной силы, микроквантовые состояния отвечают за энтропию черной дыры.

«Память» относится к информации, хранящейся в черной дыре; эта хранимая информация стабилизирует черную дыру, делая ее более устойчивой к распаду. Состояние черной дыры стабилизируется бременем ее собственной памяти. Эффект становится важным, когда черная дыра теряет около половины своей первоначальной массы.

«Если мы поверим в эффект нагрузки на память, который является актуальной темой в области квантовой гравитации, — сказал Кохри, — мы сможем построить теорию с крайне малой неопределенностью».

Пока еще не совсем ясно, что происходит с черной дырой, когда нагрузка на память становится значительной — возможно, испарение Хокинга подавляется, а может быть, черная дыра распадается на какие-то сгустки и гравитационные волны.

Кохри и его соавторы сосредоточились на первой возможности. Двали и его коллеги утверждали, что скорость излучения Хокинга подавляется некоторой целочисленной степенью энтропии черной дыры.

Черные дыры обладают огромным количеством энтропии; черная дыра Шварцшильда с массой Солнца имеет энтропию 10 77 в единицах постоянной Больцмана. Для сравнения, энтропия Солнца составляет 10 58 .

Таким образом, время жизни черной дыры значительно увеличивается. Космологические ограничения накладывают нижние и верхние пределы на PBH в игре: поэтому Кохри и коллеги фокусируются на PBH с начальной массой более 100 кг до 10 миллионов кг.

Одним из популярных механизмов образования PBH является гравитационный коллапс ранних космологических пятен с чрезвычайно усиленными возмущениями кривизны пространства-времени. Значительное количество гравитационных волн также индуцируется в эту эпоху доминирования радиации во Вселенной, с типичной частотой, которая находится в однозначном соответствии с начальной массой PBH.

Изучая наблюдаемые свойства этих гравитационных волн в современной Вселенной, обширные расчеты привели к получению спектров гравитационных волн, которые существуют сегодня в зависимости от частоты, а также ожидаемого отношения сигнал/шум для одного года наблюдений с помощью предлагаемых будущих обсерваторий гравитационных волн.

Их расчеты ожидаемых спектров индуцированных гравитационных волн показывают, что достаточно тяжелая темная материя PBH с большой памятью может наблюдаться сегодня, поскольку она индуцирует относительно низкочастотные гравитационные волны.

Будущие обсерватории проектируются с учетом этой цели, например, космическая обсерватория LISA (лазерная интерферометрическая космическая антенна), DECIGO (децигерцовая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Японии, Обсерватория Большого взрыва (BBO), предложенная Европейским космическим агентством (ESA) для замены LISA, когда она исчерпает свой ресурс, и другие.

Кохри и его коллеги построили графики ожидаемых спектров в зависимости от частоты волн и расширили свои уравнения, чтобы предсказать соотношения сигнал/шум, которые будут наблюдаться в реальных наблюдениях.

Исследователи также представляют критерии, с помощью которых астрономы гравитационных волн могли бы подтвердить или исключить сценарий отягощенной памятью темной материи PBH. Тем не менее, нелинейная динамика отягощенной памятью темной материи PBH определит детальную форму гравитационных волн.

Пиковая частота индуцированных волн может достигать 30 мегагерц, что в 3000 раз выше пика в 10 килогерц, который могут обнаружить два LIGO в США. Однако расчеты показывают, что в спектрах есть инфракрасный след, который подразумевает более низкие пиковые частоты.

Их может обнаружить предлагаемый Cosmic Explorer — наземная гравитационно-волновая обсерватория третьего поколения, которая будет иметь такую ​​же L-образную конструкцию, как LIGO, но с плечами интерферометра длиной 40 км вместо 4 км у LIGO.