Согласно другой интересной теории, первичные черные дыры могли сохраниться в неожиданной форме. Последние 40 лет астрономы пытаются решить проблему темной материи. Звезды в галактиках всех типов движутся слишком быстро – и это нельзя объяснить их собственной гравитацией. Представляется, что целостность галактик поддерживает какой-то дополнительный компонент массы, в пять или шесть раз больший, чем сумма всех звезд
[202]. Эта темная материя оказывает гравитационное воздействие, но не излучает свет и никак не взаимодействует с излучением. Результаты гравитационного линзирования показывают, что темная материя заполняет и пространство между галактиками. Что если темная материя состоит из первичных черных дыр? Это интересная идея. Теоретически первичные черные дыры, как и темная материя, должны образовываться в космосе повсеместно, и если отвести им роль источника темной материи, то не придется изобретать новую элементарную частицу, не вписывающуюся в нормальную физику (и до сих пор не обнаруженную в экспериментах с ускорителями).
К сожалению, тщательные наблюдения исключили основные варианты существования первичных черных дыр, в том числе и в форме темной материи. Когда черная дыра испаряется, то дает мощное гамма-излучение; но, когда к 1980-м гг. NASA вывело на орбиту спутниковые детекторы рентгеновских лучей, они не обнаружили излучения с ожидаемыми характерными признаками. Гравитационное линзирование исключает широко распространенные черные дыры с массами от галактической до земной. Недавние теоретические исследования закрыли последнее окно возможностей: это черные дыры от 1014 до 1021 кг, то есть от массы всего углерода в атмосфере Земли до массы небольшого спутника планет Солнечной системы
[203]. Первичных черных дыр не так много, чтобы объяснить темную материю, но это не значит, что они не существуют в той или иной форме. Они предсказываются космологической теорией и потенциально могут пролить свет на раннюю историю Вселенной. Поиск продолжается.
Первый свет и первая тьма
Всего через несколько секунд после Большого взрыва условия перестали быть благоприятными для формирования первичных черных дыр. В этот момент Вселенная была почти однородным варевом из высокоэнергетических частиц и фотонов с вариациями по плотности в пространстве менее 0,001 %. Через несколько минут после Большого взрыва температура упала настолько, что могли образовываться ядра атомов. Синтез преобразовал четверть массы Вселенной из водорода в гелий со следовыми количествами лития и изотопов водорода и гелия. Это заняло не больше времени, чем уходит на варку яйца. Температура была 10 млн °C; чтобы увидеть в то время Вселенную, нужно было обладать рентгеновским зрением
[204].
Вселенная продолжила расширяться и остывать. Следующий важный этап был пройден примерно через 50 000 лет, когда плотности энергии материи и излучения сравнялись. После этого плотность энергии излучения падала быстрее массовой плотности, поскольку расширение приводило к красному смещению фотонов. В результате гравитация усилила хватку, и во Вселенной начали возникать крохотные вариации плотности. Вселенная имела температуру 10 000 °C. Будь там наблюдатель, он увидел бы ее голубое свечение. Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва температура упала до 3000 °C, и электроны объединились с ядрами, образовав стабильные атомы. Впервые излучение стало свободно распространяться, «красный туман» рассеялся, обнажив возникающие структуры.
Все это случилось на заре истории Вселенной. По сравнению с ее нынешним возрастом 13,8 млрд лет, 400 000 лет – мгновение, аналог первых десяти часов жизни 40-летнего человека. По мере расширения Вселенная исчезала из виду, ее излучение из тусклого красного становилось невидимым инфракрасным. Начались Темные века
[205]. Они длились до возникновения первых звезд и галактик – примерно через 100 млн лет после Большого взрыва, таким образом, вся эта эпоха заняла первый 1 % возраста Вселенной.
Что интересно, хотя первый краткий этап существования Вселенная был темным, он, возможно, не был безжизненным. Между 10 и 20 млн лет после Большого взрыва Вселенная имела температуру от точки кипения до точки замерзания воды. В сегодняшней Вселенной чрезвычайно холодно, а биологическая жизнь, какой мы ее знаем, способна существовать только в узкой обитаемой зоне вблизи звезд, а также, возможно, в более холодных местах под поверхностью планеты или ее естественного спутника, где вода остается жидкой благодаря давлению сверху и радиоактивному теплу снизу. Однако было время, когда вся Вселенная имела температуру обитаемой зоны. Неясно, могли ли редкие ранние звезды наработать достаточно углерода для развития биологических форм и тяжелых элементов для формирования планет, на которых обитали бы эти существа
[206]. Сомнительно также, что 20 млн лет – достаточный срок для возникновения жизни из простых химических соединений.
С Темными веками связан ряд важнейших вопросов космологии. Когда они завершились? Что сформировалось раньше – звезды или галактики? Как на процессы формирования влияло отсутствие тяжелых элементов? Какими методами лучше всего регистрировать первый свет во Вселенной? И главный вопрос для нашего повествования: какие черные дыры образовались раньше всего?
Предположим, что темная материя – это предсказанная теоретиками элементарная частица нового типа, объединяющая три силы природы. В качестве элемента космологии темная материя довольно проста: она оказывает гравитационное воздействие, но не взаимодействует со светом или любым другим излучением
[207]. Темной материи в шесть раз больше, чем нормальной, следовательно, она управляет формированием структуры Вселенной. По мере того как гравитация концентрирует темную материю, начинают возникать сгустки малого размера или массы. Первые структуры, образовавшиеся через 100 млн лет после Большого взрыва и по окончании Темных веков, состояли из 106 солнечных масс темной материи. Это масса крохотной карликовой галактики в современной Вселенной. Время шло, сгустки сливались во все более крупные. В каждом сгустке темной материи содержался «комок» нормального вещества (газа) в одну шестую массы темной материи, и этот газ коллапсировал в центр гравитационного «колодца» темной материи. При коллапсе газа сформировались звезды, был излучен первый свет. Согласно сценарию «снизу вверх», маленькие объекты образуются раньше больших, звезды – раньше галактик (илл. 37)
[208].
