LIGO против темной материи: Странные слияния черных дыр не подтверждают теории о темной материи

15.01.2025 11:11

Астрономы, изучающие гравитационные волны, постоянно наталкиваются на удивительные открытия, одно из которых — это слияние черных дыр, чьи характеристики не вписываются в привычные модели. Возникает вопрос: откуда берутся эти гиганты, и может ли их существование пролить свет на природу темной материи?

Как рождаются «обычные» черные дыры?

Чтобы понять, что именно вызвало удивление ученых, стоит напомнить о классической схеме образования черных дыр. Все начинается со звезд, чья масса в десятки раз превосходит Солнечную. Прожив свою «бурную молодость», такие звезды исчерпывают ядерное топливо и начинают коллапсировать под действием собственной гравитации. Внешние слои сбрасываются взрывом сверхновой, а ядро, если оно достаточно массивно, превращается в сингулярность — точку бесконечной плотности, окруженную горизонтом событий, из которого не может вырваться даже свет.

Первичные черные дыры, вольная интерпретация

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3

И тут появляются «необычные» черные дыры

Проблема в том, что гравитационные детекторы, такие как LIGO, зафиксировали слияния черных дыр, чьи массы значительно превосходят те, которые ожидаются согласно классическим теориям формирования. Это привело к гипотезе о существовании так называемых первичных черных дыр, возникших не из умирающих звезд, а из флуктуаций плотности на ранних этапах существования Вселенной.

Темная материя и первичные черные дыры: красивая, но пока не подтвержденная связь

А теперь самое интересное — эти первичные черные дыры могли бы объяснить загадку темной материи, таинственного вещества, которое, как считается, составляет значительную часть массы Вселенной, но не взаимодействует со светом. Если бы таких черных дыр было достаточно, они могли бы объяснить наблюдаемые гравитационные эффекты, приписываемые темной материи.

95% верхние пределы на PBHs (и другие компактные объекты) как составляющие темной материи. Сплошной красной линией отмечены пределы, полученные в данной работе в предположении, что все гравитационные события микролинзирования, обнаруженные OGLE в направлении LMC, обусловлены объектами в самой LMC или в диске Млечного Пути. Если это предположение ослабить, то пределы (пунктирные и штриховые линии) зависят от выбора модели ЛМС и диска Млечного Пути ([24] или [25], соответственно здесь и далее см. ориг. исследование). Серыми линиями отмечены пределы, определенные следующими исследованиями: EROS [15], OGLE-III [16], Hyper SuprimeCam (HSC) [30] и MACHO+EROS [17]. Цитирование: Mróz, P., Udalski, A., Szymański, M.K. et al. arXiv:2403.02386 [astro-ph.GA] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.02386

Автор: Mróz, P., Udalski, A., Szymański, M.K. et al. Источник: arxiv.org

В поисках микролинз в Большом Магеллановом Облаке

Чтобы проверить эту гипотезу, группа ученых обратилась к феномену гравитационного микролинзирования. Представьте себе, как массивный объект, например, черная дыра, проходит между нами и далекой звездой. Его гравитация, подобно линзе, слегка усиливает свет звезды, создавая кратковременное увеличение ее яркости. Если бы первичные черные дыры составляли значительную часть темной материи, их было бы достаточно много, чтобы зарегистрировать такие микролинзовые события.

Исследователи проанализировали данные, собранные за 20 лет наблюдений в рамках проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) в Большом Магеллановом Облаке. Они искали микролинзовые события, которые длились бы достаточно долго, указывая на присутствие массивных черных дыр.

Ожидаемое число событий микролинзирования от известных звездных популяций в LMC и диске Млечного Пути в полях OGLE-IV. Модель диска Млечного Пути, использованная в расчетах, взята из работы Han & Gould (2003) [25]. Черными звездочками отмечены события, входящие в статистическую выборку из [20], черными точками — другие события. Цитирование: Mróz, P., Udalski, A., Szymański, M.K. et al. arXiv:2403.02386 [astro-ph.GA] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.02386

Автор: Mróz, P., Udalski, A., Szymański, M.K. et al. Источник: arxiv.org

Разочарование: первичные черные дыры не являются основным компонентом темной материи

Результаты оказались разочаровывающими. Событий, длившихся год и более, обнаружено не было. Более короткие события, конечно, были, но они, вероятнее всего, связаны с обычными процессами, происходящими в звездах. Этот вывод ставит под сомнение гипотезу о том, что первичные черные дыры могут быть основными «кандидатами» на роль темной материи. Исследования показали, что черные дыры с массой до 6,3 миллионов солнечных не составляют более 1% темной материи, а более массивные, вплоть до 860 миллионов солнечных масс, — не более 10%.

Что дальше?

Хотя первичные черные дыры, по всей видимости, не являются ключевым компонентом темной материи, они все равно представляют собой очень интересную тему для исследований. Возникает вопрос: как объяснить существование черных дыр, чьи массы не вписываются в стандартные модели? Возможно, нам нужно пересмотреть наши представления о ранней Вселенной, или же существует еще какой-то, пока неизвестный, механизм формирования черных дыр. Одно можно сказать наверняка: Вселенная по-прежнему полна загадок, и каждое новое открытие подталкивает нас к новым вопросам.