Новое исследование ограничивает вклад черных дыр в темную материю

Статистический анализ 740 вспышек сверхновых показал, что на черные дыры может приходиться не более 40 процентов объема темной материи, имеющейся во Вселенной, что в свою очередь забивает очередной гвоздь в крышку гроба теории о массивных астрофизических компактных объектах гало. Согласно данной теории, источником темной материи могут являться первичные черные дыры. Наблюдение двух американских ученых из Калифорнийского университета в Беркли ставят под сомнение данную теорию.

В феврале 2016 года ученые лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) объявили о новой эре в астрономии. Исследователи впервые обнаружили предсказанные гравитационные волны, созданные парой столкнувшихся черных дыр. Если не брать в расчет саму удивительную природу открытия, обнаружение гравитационных волн возродило старую теорию о том, что темная материя является производной массивных астрофизических компактных объектов гало (MACHO), ультраплотных объектов, не излучающих свет.

Согласно современным предположениям на темную материю может приходиться до 85 процентов объема всей материи Вселенной, однако физики до сих пор эту материю не обнаружили, поэтому не знают, что она собой представляет. Тема существования темной материи собрала вокруг себя активное обсуждение после того, американский астроном Вера Рубин в 70-х годах, изучая кривые вращения галактик, выявила расхождения между предсказанным круговым движением галактик и наблюдаемым движением (звезды на краю галактик должны вращаться медленнее тех, что находятся ближе к галактическому центру, но наблюдение показало, что скорость вращения внешних и внутренних звезд фактически была одинаковой). Этот факт, получивший известность как «проблема вращения галактики», стал одним из основных свидетельств в пользу существования темной материи. Однако вопрос о том, что из себя представляет темная материя по-прежнему оставался и остается открытым.

За последующие несколько десятилетий было предложено множество кандидатов на роль темной материи. Сегодня наиболее популярными являются такие частицы как аксионы или слабовзаимодействующие частицы. Однако предложенными несколькими десятилетиями ранее теорией MACHO объекты (в частности черные дыры) рассматривались в качестве основного источника темной материи. Согласно данной теории, темная материя на самом деле состоит из барионных частиц (частицы обычной материи, которые можно увидеть), двигающихся в межзвездном пространстве, будучи не связанными ни с какой планетной системой и практически (или полностью) не излучающих никакой энергии. Согласно теории, MACHO могут представлять собой нейтронные звезды, коричневые карлики, планеты-сироты и первичные черные дыры, появившиеся вскоре после Большого взрыва.

В 90-х годах теория о MACHO-объектах вышла из моды. Ученые сосредоточили поиск источника темной материи в частицах, однако недавнее открытие LIGO вновь подогрело интерес к черным дырам, как возможному объяснению невидимой темной материи.

Поскольку MACHO-объекты, согласно теории, не излучают никакой энергии, для наблюдателя эти объекты будут «темными», то есть невидимыми. Исходя из этого, исследователи ожидали обнаружить их с помощью эффекта гравитационного микролинзирования. Это феномен искривления световых волн наблюдаемого объекта по отношению к наблюдателю за счет очень мощного гравитационного поля очень плотных и массивных объектов, находящихся между наблюдаемым объектом и наблюдателем. Этот эффект способен существенно увеличить яркость очень удаленных от нас звезд и позволить увидеть те объекты, которые невозможно увидеть обычными традиционными способами наблюдения. Роль гравитационных линз могут исполнять, например, галактики, галактические скопления, а также те же черные дыры.

Физики Мигель Цумалакрареги и Урош Селяк из Калифорнийского университета в Беркли провели сложный анализ данных 740 вспышек сверхновых - экстремально ярких взрывов звезд, - чтобы проследить за вкладом первичных черных дыр в создании эффекта искривления и усиления света сверхновых. Вспышки сверхновых часто используются астрономами для измерения расстояний во Вселенной, поскольку эти объекты обладают невероятной яркостью, которая очень медленно снижается, позволяя провести ее расчеты. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Ученые предполагали, что отклонение в яркости на несколько десятых процентов, указывающее на эффект микролинзирования на черных дырах и объясняющееся массой невидимой темной материи будет обнаружено хотя бы у 8 из 740 наблюдаемых сверхновых. Однако ученые так и не нашли ни одного отклонения, указывающего на микролинзирование на черной дыре.

Выводы исследования не исключают черные дыры в качестве источников темной материи, но существенно ограничивают их вклад в ее объемы внутри Вселенной. Согласно подсчетам, даже если черные дыры действительно вносят вклад в феномены, которые связывают с темной материей, то составляет он не более 40 процентов. По словам авторов, у них на руках уже есть и пока еще не опубликованные результаты более полного анализа, который охватил более 1000 сверхновых и заставляет еще более понизить эту цифру - максимум до 23 процентов.

«Мы снова возвращаемся к обычным дискуссиям. Что такое темная материя? Похоже, хорошие варианты у нас закончились. Это задача для следующих поколений», - говорит профессор Урог Селяк.

Обсудить выводы американских ученых можно в нашем Telegram-чате.