Тёмную материю не удалось объяснить чёрными дырами

Обширный поиск событий гравитационного линзирования света, исходящего от далёких взрывов сверхновых, показал, что чёрных дыр во Вселенной меньше, чем можно было бы ожидать, если предположить, что они ответственны за эффект тёмной материи. Об этом сообщают астрономы из Университета в Беркли в свежей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Когда чёрная дыра проходит на фоне более далеко расположенной сверхновой, создаваемое ею гравитационное поле фокусирует свет, идущий от сверхновой, и её видимая яркость значительно повышается на короткий период времени. [APS/Carin Cain]

Чёрные дыры и тёмная материя

Чёрные дыры являются исторически одним из первых кандидатов на роль тёмной материи (или правильнее вещества) - загадочной субстанции, которая составляет около 85% массы вещества во Вселенной, но проявляющей себя только на галактических масштабах через своё гравитационное воздействие, не излучающей и не поглощающей свет и практически не взаимодействующей с видимым веществом. Об этой возможности Стивен Хокинг писал ещё в 1974 году.

Эта идея весьма привлекательна, поскольку не требует привлечения гипотетических и пока не открытых частиц. Вопрос заключается в том, существует ли достаточное количество чёрных дыр, которые также невозможно обнаружить при помощи обычных наблюдений, чтобы обеспечить всю наблюдаемую массу тёмной материи. В свежей статье учёные приходят к выводу, что это весьма маловероятно.

Чёрная дыра может образоваться в результате взрыва массивной звезды в конце её жизненного цикла, однако частота таких взрывов невелика и образовавшихся в результате чёрных дыр явно не хватает, чтобы объяснить всю тёмную материю.

Общепринятыми также являются теории, в которых огромное количество чёрных дыр могло появиться в ранней Вселенной в результате гравитационного схлопывания более плотных областей вещества. В принципе, эти теории не противоречат гипотезе, что такие первичные чёрные дыры в сумме имеют массу достаточную, чтобы полностью объяснить явление тёмной материи.

Предыдущие поиски

Проблема заключается в том, что на современном уровне понимания процессов, происходивших в те давние времена, практически невозможно однозначно сказать, какую массу имели первичные чёрные дыры. Они могли иметь немногим большим, чем Земля, а могли быть тяжелее миллиарда звёзд типа Солнца.

Чёрные дыры, возникшие в результате взрыва и коллапса массивной звезды, обычно окружены светящимся гало из разогретого газа. У первичных чёрных дыр такого гало может не быть, поскольку они возникли ещё до того, как во Вселенной появились первые атомы. По этой причине их практически невозможно наблюдать напрямую.

Однако гравитационное поле чёрных дыр может оказывать фокусирующее воздействие на световые волны, отклоняя их от прямолинейной траектории. Такую фокусировку можно заметить по увеличению яркости звёзд, на фоне которых проходит чёрная дыра.

Проводившийся ранее обзор большого количества звёзд в нашей галактике и соседних карликовых галактиках в Магеллановом облаке в поисках подобных события гравитационного линзирования показал, что чёрных дыр с массой менее 10 масс Солнца слишком мало, чтобы объяснить явление тёмной материи.

Новые наблюдения

Интерес к поискам первичных чёрных дыр возрос после того, как в 2015 году были впервые задетектированы гравитационные волны, источником которых, по всей видимости, была слившаяся пара чёрных дыр, масса которых была около 25 масс Солнца.

В свежей статье астрономы провели анализ, основанный на многолетних наблюдениях за более чем тысячью взрывов сверхновых в других галактиках. Сверхновые типа 1а, называемые стандартными свечами, имеют вполне определённую яркость, которая жёстко связана с тем, как долго сверхновая горит. Если в это время на пути от сверхновой к нам находится невидимая чёрная дыра, мы увидим увеличенную яркость, и сможем тем самым доказать существование чёрной дыры. Этим методом можно обнаружить чёрные дыры массой от 0,01 до нескольких тысяч масс Солнца.

Анализ 1300 сверхновых, наблюдавшихся в северном полушарии, не обнаружил ни одного подобного события. Если рассчитать вероятность подобного в предположении, что чёрные дыры распределены равномерно в гало тёмной материи, то в лучшем случае они составляют не более 40% массы этого гало. Таким образом, гипотезу о том, что тёмная материи полностью состоит из чёрных дыр, можно считать практически отвергнутой.

Однако, всё ещё остаётся вероятность, что первичные чёрные дыры обеспечивают значительную часть тёмной материи. Остальная же её часть состоит из чего-то другого, например, из гипотетических частиц-вимпов, стерильных нейтрино или аксионов. Поэтому наблюдения звёзд в поисках событий гравитационного линзирования чёрными дырами будут продолжаться. Большие надежды в этой задаче возлагаются на телескоп LSST (Large Synoptic Survey Telescope, Большой обзорный телескоп), который должен быть введён в строй в ближайшие несколько лет. Он будет вести наблюдения за всем небом, и сможет сильно увеличить вероятность обнаружения таких редких событий, как гравитационное линзирование.

Читайте также

Насколько масштабна Вселенная?

Почему мы поверили в тёмную материю?

Взвешивание гало тёмной материи при помощи реликтового фона

Читайте также мой Telegram-канал!