В центре Млечного Пути не черная дыра? Новая теория о темной материи

В научном мире, кажется, давно сложился консенсус: в центре нашей Галактики сидит сверхмассивная черная дыра Стрелец А* (Sgr A*). За открытие этого монстра массой в 4 миллиона солнц в 2020 году даже дали Нобелевскую премию, а проект Event Horizon Telescope (EHT) показал нам его «фотографию» — знаменитый оранжевый бублик. Дело закрыто?

Как бы не так. Группа астрофизиков из Аргентины и Италии опубликовала в авторитетном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) работу, которая предлагает перевернуть шахматную доску. Их расчеты показывают: то, что мы принимаем за черную дыру, на самом деле может быть плотным ядром из темной материи. И самое интересное — эта гипотеза решает сразу несколько проблем, о которые астрономы ломали копья последние десятилетия.

Суть идеи, которую продвигают исследователи (Валентина Креспи, Карлос Аргуэльес и их коллеги), звучит элегантно. В стандартной модели космологии мы привыкли делить галактику на части: есть диск со звездами, есть огромный рыхлый «гало» из темной материи вокруг, а в самом центре — гравитационная сингулярность, черная дыра. Это разные объекты с разной природой.

Авторы новой работы предлагают «единую теорию поля» для галактики. Они предполагают, что темная материя состоит из определенного типа частиц — фермионов (их условно называют «даркино»). Фермионы — это «индивидуалисты»: подчиняясь принципу запрета Паули, они не могут находиться в одном квантовом состоянии.

Когда такие частицы собираются в кучу под действием гравитации, возникает так называемое квантовое давление вырождения. Оно работает как пружина, не давая материи схлопнуться в точку (сингулярность).

Согласно расчетам ученых, распределение этих частиц в галактике выглядит так:

На окраинах плотность низкая — это и есть то самое гало, которое объясняет, почему звезды на краях Млечного Пути вращаются так быстро.
В центре плотность колоссально возрастает, образуя компактное ядро.

Это ядро (Dense Core) не имеет горизонта событий. Это не бездонная пропасть, откуда не возвращается свет, а вполне материальный, хоть и невидимый, шар. Но он настолько плотный и тяжелый, что его гравитация почти неотличима от гравитации черной дыры.

Самое сильное место этой теории — она убивает сразу трех зайцев, используя одну и ту же математическую модель (распределение плотности фермионов):

Кривые вращения галактики. Модель идеально описывает движение звезд на периферии Млечного Пути.
Движение звезд в центре. Мы знаем, что звезды вблизи центра (например, знаменитая S2) носятся с бешеными скоростями. Модель «ядра из темной материи» воспроизводит их орбиты с той же точностью, что и модель черной дыры.
Загадочные G-объекты. В центре галактики летают странные объекты (G1, G2 и др.), которые ведут себя то ли как газовые облака, то ли как звезды. Когда объект G2 пролетал в опасной близости от Sgr A* в 2014 году, астрономы ждали, что приливные силы черной дыры разорвут его в клочья (если это газ). Но G2 выжил. Если в центре находится не сингулярность, а чуть более «рыхлый» шар темной материи, приливные силы там мягче, что объясняет выживание таких объектов.

А как же фото бублика? Это главный вопрос. EHT показал нам тень черной дыры. Разве это не доказательство? Авторы работы утверждают: нет. В их симуляции плотное ядро из темной материи преломляет лучи света (гравитационное линзирование) практически так же, как черная дыра. Свет от аккреционного диска (горячего газа, падающего на центр) искривляется, создавая темную область в центре и яркое кольцо вокруг. Для наблюдателя с Земли разница между «тенью горизонта событий» и «тенью ядра даркино» может быть минимальной — по крайней мере, на текущем уровне разрешения телескопов.

Если гипотеза подтвердится, это будет тектонический сдвиг в астрофизике.

Во-первых, мы избавляемся от сингулярности — точки с бесконечной плотностью, которая является «математическим сбоем» в физике и головной болью для теоретиков. Природа не любит бесконечностей. Ядро из темной материи — это физический объект с понятными свойствами, а не дырка в ткани мироздания.

Во-вторых, это объясняет природу сверхмассивных объектов, которые мы видим уже в очень ранней Вселенной (благодаря телескопу Джеймса Уэбба). Сформировать гигантскую черную дыру за пару сотен миллионов лет после Большого взрыва сложно. А вот сконденсировать облако темной материи — гораздо проще.

Однако, коллеги авторов пока настроены скептически, но следят с интересом. Главный тест еще впереди. Модель черной дыры предсказывает существование «фотонного кольца» — тончайшей, острой как бритва линии света внутри основной тени. У ядра из темной материи такого кольца быть не должно. Будущие наблюдения с более высоким разрешением (например, проект «Миллиметрон» или следующие итерации EHT) смогут разглядеть эту деталь. Если кольца нет — учебники придется переписывать.

Пока же мы остаемся с красивой гипотезой: сердце нашей Галактики — это не всепожирающая пустота, а гигантская капля той самой загадочной субстанции, из которой состоит 85% материи во Вселенной.