Темная материя, сверхмассивные черные дыры и современное состояние научной публицистики, популярной и не только

В последнее время в популярной литературе часто освещаются наиболее важные проблемы современной астрофизики и космологии, такие как проблема темной материи и проблема образования черных дыр. Актуальность второй темы связана как с последними результатами наблюдений сливающихся черных дыр гравитационно-волновой обсерваторией LIGO и наблюдениями тени черной дыры в галактике М87 с помощью Телескопа горизонта событий, которые практически не оставили сомнений в существовании черных дыр, так и с наблюдениями очень далеких квазаров — одних из ярчайших объектов во Вселенной. Считается, что квазары излучают энергию за счет высвобождения потенциальной гравитационной энергии газа, падающего на сверхмассивную черную дыру (как правило, с массой в несколько миллиардов масс Солнца). Так как уже открыты квазары, сформировавшиеся не позднее 650 млн лет с «начала» расширения Вселенной, то, вероятно, уже тогда должны были бы сформироваться и сверхмассивные черные дыры. С точки зрения теории, достаточно непонятно, какие именно процессы привели к формированию столь компактных и массивных объектов за относительно короткое время.

Увеличение числа популярных статей о наиболее важных астрофизических результатах, с моей точки зрения, положительная тенденция. С другой стороны, сенсационные заголовки новостей зачастую совсем не соответствуют тем результатам, которые изложены в оригинальных научных статьях. Желание «продать» очередную научную новость и недостаточная научная квалификация журналистов приводят, на мой взгляд, к дискредитации научных исследований как таковых: может сложиться впечатление, что никакого научного прогресса не происходит, а публику кормят очередными «фейками». Сразу хочу сказать, что, по моему мнению, это впечатление ошибочное, но наука двигается совсем не так быстро, как можно бы было об этом судить по громким заголовкам, и, образно говоря, не так прямолинейно.

Достаточно часто встречается и совсем уж нелепая ситуация, когда сами оригинальные научные статьи содержат ошибки. К сожалению, чрезмерная погоня за сенсациями и всевозможными формальными показателями не обошла стороной и научное сообщество. Качество статей даже в лидирующих научных журналах неуклонно падает, а количество — растет, причем не так уж редко анонсируемые результаты не просто не соответствуют реально проделанной работе, но и являются технически неверными.

Поводом к написанию этой заметки послужила, в частности, привлекшая внимание прессы статья четырех авторов под названием «К формированию и стабильности гало фермионной темной материи в космологических рамках» [1], опубликованная в одном из ведущих астрономических изданий Monthly Notices of Royal Astonomical Society. Сразу отмечу, что авторы этой работы неповинны в том, что, например, название популярной заметки на портале «Лента.ру» («Объяснено таинственное появление гигантских черных дыр» [2]) до неузнаваемости искажает смысл названия оригинальной статьи, и мне не показалось, что это конкретное исследование было мотивировано погоней за сенсационностью или неумеренно большой цитируемостью. Авторы отнюдь не претендуют на решение этой несомненно важнейшей проблемы современной астрофизики. Скорее, они исследуют достаточно формальные модели, которые в принципе могли бы послужить качественному пониманию каких-то отдельных сторон общей, весьма сложной, проблемы.

К сожалению, в процессе этого исследования, на мой взгляд, была допущена техническая ошибка. Мне представляется небезынтересным попытаться объяснить, какая именно ошибка была допущена и какое отношение такого рода исследования имеют к проблемам, связанным с темной материей и сверхмассивными черными дырами. Для этого мне придется вкратце описать основные физические процессы, играющие роль в формировании таких систем, как галактики, и разъяснить несколько ключевых технических понятий, используемых в этой области.

Основной физической силой, ведущей к формированию галактик, их скоплений и других подобного рода структур — а также, вероятно, к формированию сверхмассивных черных дыр в центрах многих галактик, — является гравитация. Можно показать, что малые возмущения плотности материи (как темной, так и «обычной», состоящей из известных на сегодняшний день массивных частиц) растут со временем и в некоторый момент куски материи обособляются от общего расширения Вселенной и стремятся сжаться под действием гравитации. Процессу сжатия, однако, противостоит либо давление (как в случае газа, состоящего из обычных частиц), либо разброс в скоростях движений отдельных элементов среды, состоящей из так называемого бесстолкновительного вещества — например, звезд или кусков материи, состоящей из массивных, очень слабо взаимодействующих друг с другом частиц. Именно такого рода частицы — наиболее подходящий кандидат на роль темной материи, они объясняют все имеющиеся на сегодняшний день (весьма разнородные, к слову сказать) ее наблюдательные проявления. Отметим, тем не менее, что до прямого обнаружения подобных частиц говорить о том, что именно они составляют темную материю, все-таки преждевременно и пока ее природа до конца не известна.

Проясним принципиальную разницу между обычным газом и бесстолкновительной средой. В первом случае путь, который проходит одна частица газа до того, как за счет воздействия на нее других частиц существенно меняется ее скорость (так называемая длина свободного пробега), много меньше размера системы. (Напомним, что в случае галактик размер системы может составлять многие сотни тысяч, а то и миллионы световых лет!) В случае бесстолкновительной системы ситуация обратная: хотя размеры системы грандиозные, длина свободного пробега всё равно во много раз больше. Поэтому процессы, ведущие к изменению скорости частиц темной материи или звезд за счет непосредственного взаимодействия звезд или частиц друг с другом, слабо влияют на окончательную форму объектов, которые в основном из них состоят (например, галактик).

С этим связано интересное наблюдение, для понимания которого потребовалось некоторое время. В случае так называемого классического газа (т. е. в пренебрежении эффектами квантовой механики) распределение по скоростям его частиц быстро становится наиболее вероятным (макс­велловским) за счет большого числа взаимодействий его частиц друг с другом, быстро меняющих их скорости. Наблюдения движения звезд показали, что приблизительно то же самое осуществляется и в бесстолкновительном случае, хотя процесс, приводящий к такого рода распределению, казалось бы, отсутствует. Теория такого процесса была построена замечательным британским астрофизиком Дональдом Линден-Беллом в 1967 году. Отметим, что некоторые ее аспекты основаны на исследованиях классика теории бесстолкновительных систем Вадима Анатольевича Антонова. Суть теории состоит в том, что, хотя каждая отдельная частица бесстолкновительной среды не испытывает прямых соударений, ее энергия меняется весьма сложным образом — в то время, когда система сжимается к долгоживущему равновесному состоянию, с универсальным распределением по скоростям, — за счет изменяющегося со временем гравитационного поля. Этот эффект называется бурной релаксацией.

Линден-Белл показал, что этих весьма общих соображений достаточно, чтобы показать, что в простейшем случае распределение по скоростям кусков бесстолкновительной среды совпадает с распределением по скоростям газа квантовых частиц с полуцелым спином — так называемым распределением Ферми — Дирака.

Совпадение здесь основано на том, что в случае квантовых частиц и в случае кусков бесстолкновительной среды работает физический механизм, запрещающий их «скучивание» в так называемом фазовом пространстве — шестимерном пространстве, состоящем из координат и скоростей (точнее, импульсов, но для нашей цели это неважно). Однако природа этого механизма в том и в другом случае совершенно различна. Для квантовых частиц с полуцелым спином запрет на скучивание связан с принципом Паули, запрещающим разным частицам находиться в одном и том же состоянии. В случае кусков бесстолкновительной среды работает так называемая теорема Лиувилля, обеспечивающая сохранение их плотности в фазовом пространстве (для расчета плотности нужно поделить количество этих кусков в некотором маленьком объеме этого пространства на этот объем). Следовательно, эти куски не могут попасть в одну и ту же область фазового пространства, так как это привело бы к увеличению их плотности, что противоречит теореме Лиувилля.

Таким образом, чисто классические, неквантовые особенности поведения бесстолкновительных систем приводят к тому же распределению по скоростям, что и квантовые эффекты! Важно отметить, что в случае малых плотностей и больших разбросов скоростей (больших температур) распределение Ферми — Дирака становится близким к максвелловскому, и еще Линден-Белл показал, что в случае бесстолкновительных систем эффекты, связанные с отклонением распределения от максвелловского, вероятно, малы. Отметим, тем не менее, что такого рода эффекты изучаются до сих пор, хотя их «практическое применение» не очевидно.

Авторы обсуждаемой статьи несколько раз достаточно неясно провели грань между распределением отдельных сгустков темной материи и отдельных частиц. Хотя в статье много раз используется аргументация Линден-Белла, реальные технические вычисления производятся именно для газа квантовых частиц с полуцелым спином и массой 10 килоэлектронвольт (кэВ). Рассматривается семейство стационарных сферически-симметричных конфигураций, которые являются «стабильными» в термодинамическом смысле. Среди них есть и конфигурации с очень плотным ядром, которое при дальнейшем увеличении плотности может потерять стабильность и действительно схлопнуться в черную дыру.

Однако в статье, по моему мнению, есть существенная техническая ошибка. Дело в том, что из той же теоремы Лиувилля следует, что функция распределения в фазовом пространстве для стационарных систем должна зависеть только от так называемых интегралов движения, то есть величин, которые не меняются при рассмотрении движения отдельной частицы. Более того, для сферических конфигураций этими интегралами движения могут быть только энергия и квадрат углового момента. У авторов же функция распределения зависит от кинетической энергии и от параметров распределения по скоростям (таких как температура), которые предполагаются функциями расстояния от центра. Из курса школьной физики известно, что кинетическая энергия не сохраняется при движении — сохраняется полная энергия, которая есть сумма кинетической и потенциальной. Интересно отметить, что подход авторов, ошибочный для бесстолкновительных систем, является вполне разумным при рассмотрении газа — то есть системы с маленькой длиной пробега.

Кроме технической ошибки, есть еще и более важные, в каком-то смысле общефизические, аргументы в пользу того, что модель авторов не является реалистичной. В конфигурациях с плотным ядром, которое может потерять устойчивость, плотность этого ядра составляет порядка 1020 солнечных масс на кубический парсек (напомним, что один парсек приблизительно равен трем световым годам). Эта плотность на огромное число порядков превышает типичную плотность вещества, ожидаемую в центре любой галактики. Поэтому для таких моделей основную роль играет физический процесс, формирующий такое ультраплотное ядро, и есть основания предполагать, что такого рода процессы могут протекать только на временах, намного превышающих время жизни Вселенной.

Из чего же образовывались черные дыры: из темной материи или из обычного вещества? В настоящее время ответ на этот вопрос возможен только в рамках той или иной теории и поэтому может отличаться в зависимости от научных воззрений отвечающего. По мнению автора этой заметки, роль темной материи в формировании черных дыр существенна в основном лишь в том смысле, что она создает гравитационные потенциальные ямы, куда стекается обычное вещество, и там тем или иным путем образуются черные дыры. Сама же темная материя попадает в черные дыры в относительно небольшом количестве — ей значительно труднее скинуть орбитальный момент, чем обычному веществу.

Надо заметить, что, раз уж черные дыры из чего-то образовались, отличить, была ли это обычная или темная материя, вероятно, невозможно. Как известно, «черные дыры не имеют волос». В частности, это означает, что их свойства будут совершенно одними и теми же вне зависимости от природы вещества, их образовавшего.

Павел Иванов,
гл. науч. сотр. Астрокосмического центра ФИАН

Автор выражает благодарность Борису Штерну за ряд ценных замечаний.

1. Argüelles C. R., Díaz M. I., Krut A., Yunis R. On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Vol. 502. Iss. 3. April 2021. P. 4227–4246.
2. lenta.ru/news/2021/02/25/darkmatter/