Астрофизики "изгнали" темную материю из черных дыр

Наблюдения за вспышками сверхновых показали, что все запасы темной материи во Вселенной не могут прятаться внутри черных дыр, обитающих в пустотах между галактиками или внутри них. К такому выводу пришли астрофизики, опубликовавшие статью в журнале Physical Review Letters.

"Эти черные дыры, если бы они существовали, должны особым образом искривлять свет сверхновых, путешествующий к Земле. На одной вспышке этот эффект нельзя заметить, однако объединение результатов наблюдений за тысячами таких объектов позволяет достаточно точно оценить их массу и долю темной материи, которая в них содержится", - объясняет Мигель Зумалакаррегуи (Miguel Zumalacárregui) из университета Калифорнии в Беркли (США).

"Черный ящик" Вселенной

Достаточно долгое время ученые считали, что Вселенная состоит из той материи, которую мы видим, и которая составляет основу всех звезд, черных дыр, туманностей, скоплений пыли и планет. Но первые наблюдения за скоростью движения звезд в близлежащих к нам галактиках показали, что светила на их окраинах движутся в них с невозможно высокой скоростью. Она была примерно в 10 раз выше, чем показывали расчеты на базе масс всех светил в них.

Причиной этого, как сегодня считают ученые, была так называемая темная материя - загадочная субстанция, на чью долю приходится примерно 75% от массы всей материи во Вселенной. Как правило, в каждой галактике примерно в 8-10 раз больше темной материи, чем ее видимой "кузины", и эта темная материя удерживает звезды на месте и не дает им "разбежаться".

Сегодня почти все астрономы уверены в существовании темной материи, однако ее свойства, помимо ее очевидного гравитационного влияния на галактики и скопления галактик, остаются загадкой и предметом споров среди астрофизиков и космологов. Достаточно долго ученые предполагали, что она сложена из сверхтяжелых и "холодных" частиц-"вимпов", никак не проявляющих себя, кроме как притягивая видимые скопления материи.

Безуспешные поиски "вимпов" в последние два десятилетия заставили многих теоретиков считать, что темная материя на самом деле может состоять из так называемых аксионов - сверхлегких частиц, похожих по массе и свойствам на нейтрино. Другая альтернативная теория предполагает, что темная материя может прятаться внутри так называемых MACHO, компактных и сверхплотных объектов на окраинах галактик.

На роль таких тел, как отмечает Зумалакаррегуи, сегодня претендуют "обычные", сверхмассивные и примордиальные черные дыры. Первые два типа объектов присутствуют как в галактиках, так и в пустотах между ними, а последние, как предполагают космологи, имели относительно небольшие размеры и населяли Вселенную в первые эпохи ее жизни.

Секреты космических "мачо"

Интерес к "мачо", по словам астрофизиков, недавно возродился по той причине, что черные дыры, следы слияния которых были открыты гравитационным детектором LIGO, имеют примерно такие же размеры, какими обладают MACHO в компьютерных моделях теоретиков. Зумалакаррегуи и его коллеги проверили эти подозрения, наблюдая за вспышками сверхновых.

Сверхновые первого типа, как отмечают исследователи, взрываются с примерно одинаковой яркостью из-за физических процессов, управляющих их развитием. Это позволяет использовать их для измерения точных расстояний до далеких галактик, а также наблюдений за тем, как притяжение различных объектов, в том числе и черных дыр, искривляет их свет на пути к Земле, делая его более ярким или тусклым.

Руководствуясь этой идеей, астрофизики проанализировали спектр примерно тысячи сверхновых первого типа, недавно вспыхнувших на небосводе. Эти расчеты показали, что их свет был усилен черными дырами и другими кандидатами на роль "мачо" недостаточно сильно, чтобы вся темная материя Вселенной могла прятаться внутри них.

По текущим оценкам Зумалакаррегуи и его коллег, внутри черных дыр может находиться лишь 23-35% от общей массы темной материи, что несовместимо с представлениями о свойствах MACHO и их происхождении. Иными словами, все указывает на то, что черной материи в черных дырах нет, и она вряд ли имеет свойства, способствующие формированию компактных объектов.

С другой стороны, ученые не отрицают, что "мачо" все же могут существовать в том случае, если темная материя состоит из нескольких крайне разных "сортов" частиц, часть из которых будет очень тяжелыми, а другие - очень легкими. Их существование, правда, объяснить еще сложнее, чем найти новое объяснение природы темной материи, заключают авторы статьи.