Первичные черные дыры как темная материя и гравитационные

Первичные черные дыры как темная материя и гравитационные волны Петр Климай ИЯИ РАН

План доклада v Гравитационные волны и черные дыры v Открытие гравитационных волн коллаборацией LIGO v Обсуждение открытия v Первичные черные дыры и темная материя v О связи ПЧД и гравитационных волн v Выводы 2

История: гравитационные волны 1900 – Х. Лоренц – предположение о распространении гравитации со скоростью света 1905 – А. Пуанкаре – термин «гравитационная волна» (ГВ) 1915 – А. Эйнштейн – окончательная формулировка Общей теории относительности (ОТО), современной теории гравитации 1916 – А. Эйнштейн – предсказание ГВ как следствия ОТО 1957 – Р. Фейнман, Г. Бонди – мысленный эксперимент «трость с бусинками» ~1960 - 1969 – Дж. Вебер - первые эксперименты по поиску ГВ (резонансный детектор) 1962 – В. И. Пустовойт, М. Е. Герценштейн – предложение использовать оптический интерферометр для поиска ГВ 1975 - 1982 – Р. Халс, Д. Тейлор - Открытие и наблюдения двойного пульсара PSR B 1913+16, обнаружено ускорение вращения за счет 3

История: черные дыры 1784 – Дж. Мичелл, 1796 – П. -С. Лаплас – идея об объекте, для которого вторая космическая скорость равна скорости света (dark star) 1915 – А. Эйнштейн – окончательная формулировка Общей теории относительности (ОТО) 1916 – К. Шварцшильд – решение для невращающейся, незаряженной ЧД 1939 – Р. Оппенгеймер, Д. Волков – верхний предел на массу нейтронной звезды; при больших массах – “frozen star” 1958 – Д. Финкельштейн – понятие о горизонте событий 1964 – Я. Б. Зельдович, Е. Салпитер (независимо) – возможность астрономических наблюдений ЧД (энерговыделение при аккреции) 1967 – Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков; 1971 – Хокинг – рождение черных дыр в ранней Вселенной (первичные ЧД, ПЧД) 1967 – Дж. Уилер впервые использовал термин “black hole” 4

Черные дыры – “классификация” 1) Черные дыры звездной массы – от 3 до ~100 солнечных масс. 2) Сверхмассивные черные дыры – 106 – 1010 солнечных масс. 3) Первичные черные дыры – очень широкий диапазон масс. Могли образоваться из первичных возмущений плотности в случае, если они имели достаточно большую величину в каком-то диапазоне длин волн. 5

Схема детектора LIGO H = Hanford; L = Livingston 6

GW 150914 7

8

9

Интерпретация результатов LIGO В природе существуют ЧД с массой около 30 солнечных, при этом они могут образовывать двойные системы и сливаться за время жизни Вселенной. По одному событию GW 150914 количество слияний ЧД может находиться в диапазоне (2 - 53) год-1 Гпк-3. Стандартной интерпретацией [см. LIGO Collaboration, Ap. JL, 818, L 22, 2016] является объяснение черных дыр как астрофизических, образовавшихся из изолированной двойной звездной системы или в звездных скоплениях. 10

Обнаружил ли LIGO темную материю? ПЧД – естественный кандидат на роль темной материи (всей, или какой-то части) [Карр, Хокинг, 1974]. S. Bird et al, ar. Xiv: 1603. 00464 - “Did LIGO detect dark matter? ”; S. Clesse, J. Garcia-Bellido, ar. Xiv: 1603. 05234 - “The clustering of massive Primordial Black Holes as Dark Matter: measuring their mass distribution with Advanced LIGO”; M. Sasaki et al, ar. Xiv: 1603. 08338 - “Primordial black hole scenario for the gravitational wave event GW 150914'‘. В этих работах показано, что количество слияний ПЧД может находиться в диапазоне (2 - 53) год-1 Гпк-1, выводимом из GW 150914. 11

Первичные черные дыры Имеющиеся ограничения на долю ПЧД во Вселенной (на момент их образования), из: Carr et al, Phys. Rev. D 81, 104019 (2010). См. также F. Capela, M. Pshirkov, P. Tinyakov, Phys. Rev. D 90, 083507 12 (2014).

Стохастический фон ГВ Измерение стохастического фона ГВ во Вселенной позволит заглянуть в историю ранней Вселенной так глубоко, как никогда раньше. Уже ведется несколько наземных экспериментов по поиску фона ГВ (LIGO, Virgo, GEO), планируются спутниковые эксперименты LISA, BBO, DECIGO и другие. LIGO Доля плотности ГВ на логарифмический интервал k ( LISA - спектр): 13

Из работы: K. Kuroda et al, ar. Xiv: 1511. 00231 14

Рождение ГВ возмущениями плотности Во втором порядке теории возмущений скалярные, векторные и тензорные возмущения перестают быть независимыми. В частности, ГВ «индуцируются» скалярными возмущениями: и в случае достаточно «широкого» спектра скалярных возмущений годится оценка Ограничения на величину спектра в области малых масштабов, недоступных прямым измерениям, получаются из ненаблюдения ПЧД. 15

Спектры масс ПЧД и индуцированных ГВ Спектры масс ПЧД для определенного набора параметров спектра скалярных возмущений (слева) и соответствующий спектр мощности индуцированных гравитационных волн (справа). 16

Ограничения на спектр скалярных возмущений из ПЧД (слева) и соответствующие ограничения на спектр индуцированных гравитационных волн. Из работы E. Bugaev, P. Klimai, Phys. Rev. D 83 (2011) 083521. Из наблюдений пульсаров, ограничивается область масс ПЧД 17

Выводы 1) Гравитационные волны наконец окончательно открыты коллаборацией LIGO 2) В природе существуют системы двойных черных дыр, сливающихся за время жизни Вселенной 3) Происхождение обнаруженных черных дыр подлежит обсуждению 4) Гипотеза о первичных черных дырах (в т. ч. как темной материи) может быть проверена измерениями фона ГВ 18

Спасибо! 19