Крупнейший анализ данных гравитационных волн помог поставить под сомнение одну из самых необычных гипотез космологии. Выяснилось, что первичные черные дыры почти наверняка не могут составлять значительную часть темной материи. Это важно, поскольку они десятилетиями считались одними из наиболее необычных и при этом проверяемых кандидатов на роль невидимой массы Вселенной.
Гравитационные волны (гравиволны) позволяют наблюдать столкновения черных дыр (ЧД) по всему космосу. Правда, некоторые из этих объектов оказались необычными: слишком массивными или, наоборот, легкими для привычных сценариев звездной эволюции. Отсюда родилась идея о том, что часть обнаруженных ЧД могла появиться не после гибели звезд, а еще в первые мгновения после Большого взрыва. Такие гипотетические объекты называют первичными черными дырами.
Суть в том, что если они действительно существуют в больших количествах, то могли бы объяснить хотя бы часть темной материи — таинственной субстанции, составляющей примерно 85 процентов всей материи во Вселенной.
Теперь, проанализировав данные первой части четвертого сеанса наблюдений детекторов LIGO, VIRGO и KAGRA (O4a), во время которого зарегистрировали 85 сигналов слияний компактных объектов, астрономы попытались выяснить, можно ли объяснить часть столкновений существованием первичных черных дыр.
Для этого исследователи построили несколько моделей. В одной из них предполагалось, что все обнаруженные события имеют обычное происхождение и возникают при слиянии черных дыр, сформировавшихся после взрывов массивных звезд. В другой модели допускалось, что некоторые события связаны с первичными черными дырами. Наконец, был смешанный сценарий, где обе популяции существуют одновременно.
Главным инструментом научной работы стали сами гравитационные волны: если первичные ЧД распространены во Вселенной, то должны регулярно сталкиваться друг с другом, порождая сигналы гравиволн. Более того, множество далеких и слабых слияний должно формировать своеобразный гравитационно-волновой фон — аналог космического гула, заполняющего пространство.
Отсутствие такого избытка сигналов стало главным результатом исследования. Расчеты показали, что первичные черные дыры массой примерно от 0,6 до 100 масс Солнца могут составлять лишь очень малую долю темной материи. На сегодня это самые жесткие ограничения для подобных объектов.
Авторы научной работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, изучили также возможность существования сверхлегких первичных черных дыр — объектов в тысячи раз легче Солнца. Заметить их напрямую практически невозможно, но они могли бы образовывать двойные системы внутри Млечного Пути. Хотя современные детекторы пока недостаточно чувствительны, чтобы уверенно находить такие сигналы, будущие наблюдения, по мнению ученых, смогут проверить и этот сценарий.
Таким образом, результаты нового исследования накладывают существенные ограничения на количество первичных черных дыр. Если они и существуют, то их либо очень мало, либо они находятся в диапазонах масс, которые детекторы пока почти не фиксируют.
Для космологии это важно: каждая подобная работа помогает ученым постепенно исключать возможные варианты природы темной материи. Правда, ни одна из множества современных гипотез так и не дала убедительных подтверждений. Подробнее о проблеме Naked Science рассказывал здесь.