Учёные нашли ограничения для чёрных дыр как источника тёмной материи
Учёные из проекта OGLE (Оптическое Гравитационное Линзирование) из Астрономической обсерватории Варшавского университета объявили о результатах почти 20-летних наблюдений, которые показали, что массивные чёрные дыры, обнаруженные детекторами гравитационных волн LIGO и Virgo, могут составлять не более нескольких процентов тёмной материи.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature и The Astrophysical Journal Supplement Series. Они бросают вызов общепринятой гипотезе, что массивные чёрные дыры могут быть составляющей частью тёмной материи, которая составляет около 27% массы Вселенной.
«Природа тёмной материи остаётся загадкой. Большинство учёных полагают, что она состоит из неизвестных элементарных частиц. К сожалению, несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент (включая эксперименты, проведённые на Большом адронном коллайдере) не обнаружил новых частиц, которые могли бы быть ответственны за тёмную материю», — говорит доктор Пшемек, ведущий автор обеих статей.
С момента первого обнаружения гравитационных волн от сливающейся пары чёрных дыр в 2015 году эксперименты LIGO и Virgo зарегистрировали более 90 таких событий. Астрономы заметили, что чёрные дыры, обнаруженные LIGO и Virgo, обычно значительно более массивны (20–100 солнечных масс), чем известные ранее во Млечном Пути (5–20 солнечных масс).
«Объявление того, почему эти две популяции чёрных дыр настолько различны, является одной из величайших загадок современной астрономии», — говорит доктор Оз. Одно из возможных объяснений предполагает, что детекторы LIGO и Virgo обнаружили популяцию первичных чёрных дыр, которые могли образоваться в очень ранней Вселенной. Их существование было впервые предположено более 50 лет назад британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом и независимо советским физиком Яковом Зельдовичем.
«Мы знаем, что ранняя Вселенная не была идеально однородной — небольшие флуктуации плотности породили современные галактики и скопления галактик. Подобные флуктуации плотности, если они превышают критический контраст плотности, могут коллапсировать и образовывать чёрные дыры», — говорит доктор Оз. Эту гипотезу можно проверить астрономическими наблюдениями. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, свет может изгибаться и отклоняться в гравитационном поле массивных объектов — явление, называемое гравитационным микролинзированием. «Микролинзирование происходит, когда три объекта — наблюдатель на Земле, источник света и линза — практически идеально выравниваются в пространстве. Во время микролинзирования свет источника может отклоняться и увеличиваться, и мы наблюдаем временное усиление света источника», — говорит профессор Анджей Удальский, главный исследователь исследования OGLE. Продолжительность просветления зависит от массы объекта линзирования: чем больше масса, тем продолжительнее событие. События микролинзирования объектов солнечной массы обычно длятся несколько недель, тогда как события, происходящие с чёрными дырами, которые в 100 раз массивнее Солнца, продлятся несколько лет.
Идея использования гравитационного микролинзирования для изучения тёмной материи не нова. Впервые она была предложена в 1980-х годах польским астрофизиком Богданом Пачинским. Его идея вдохновила начало трёх крупных экспериментов: польского OGLE, американского MACHO и французского EROS. Первые результаты этих экспериментов показали, что чёрные дыры менее массивные, чем масса Солнца, могут составлять менее 10% тёмной материи. Однако эти наблюдения не были чувствительны к чрезвычайно долговременным событиям микролинзирования и, следовательно, нечувствительны к массивным чёрным дырам, подобным тем, которые недавно были обнаружены с помощью детекторов гравитационных волн.
В новой статье в серии The Astrophysical Journal Supplement Series астрономы OGLE представили результаты почти 20-летнего фотометрического мониторинга почти 80 миллионов звёзд, расположенных в соседней галактике, Большом Магеллановом Облаке, и поиска событий гравитационного микролинзирования. Анализируемые данные были собраны в ходе третьего и четвёртого этапов проекта OGLE с 2001 по 2020 год. «Этот набор данных обеспечивает самые длительные, масштабные и точные фотометрические наблюдения звёзд в Большом Магеллановом Облаке в истории современной астрономии», — говорит профессор Удальски.
Во второй статье, опубликованной в журнале Nature, обсуждаются астрофизические последствия полученных результатов. «Если бы вся тёмная материя Млечного Пути состояла из чёрных дыр массой 10 солнечных, то мы должны были бы обнаружить 258 событий микролинзирования. Для 100 чёрных дыр солнечной массы мы ожидали 99 событий микролинзирования. Для 1000 чёрных дыр солнечной массы — 27 событий микролинзирования», — говорит доктор Оз.
Напротив, астрономы OGLE обнаружили только 13 событий микролинзирования. Их детальный анализ показывает, что все они могут быть объяснены известными звёздными популяциями Млечного Пути или самом Большом Магеллановом Облаке, а не чёрными дырами.
«Это указывает на то, что массивные чёрные дыры могут составлять максимум несколько процентов тёмной материи», — говорит доктор Оз.
Детальные расчёты показывают, что чёрные дыры с массой 10 солнечных могут содержать не более 1,2% тёмной материи, чёрные дыры с массой 100 солнечных — 3,0% тёмной материи и чёрные дыры с массой 1000 солнечных — 11% тёмной материи.
«Наши наблюдения показывают, что первичные чёрные дыры не могут составлять значительную часть тёмной материи и одновременно объяснять наблюдаемые скорости слияния чёрных дыр, измеренные LIGO и Virgo», — говорит профессор Удальски. Поэтому необходимы другие объяснения массивным чёрным дырам, обнаруженным LIGO и Virgo.
По одной из гипотез, они образовались как итог эволюции массивных звёзд с низкой металличностью. Другая возможность связана со слиянием менее массивных объектов в плотных звёздных средах, таких как шаровые скопления.
«Наши результаты останутся в учебниках по астрономии на десятилетия вперёд», — уверен профессор Удальски.