Стремление понять темную материю приняло множество поворотов. Это научная сказка, но также и человеческая. Мы знаем, что существует проблема недостающей массы, но астрофизики и космологи не могут понять, что это за недостающая материя. Одним из наиболее интересных потенциальных решений являются первичные черные дыры (ПЧД).
Однако новые исследования показывают, что ПЧД могут составлять лишь небольшую часть темной материи, если вообще таковые имеются.
Поиски темной материи в основном были сосредоточены на новом типе неоткрытых элементарных частиц, таких как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPS). Но эти поиски оказались бесплодными.
«Природа темной материи остается загадкой. Большинство учёных полагают, что он состоит из неизвестных элементарных частиц», — сказал доктор Пшемек Мруз из Астрономической обсерватории Варшавского университета. Мруз — ведущий автор новых исследований ПЧД и темной материи. «К сожалению, несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент, включая эксперименты, проведенные на Большом адронном коллайдере, не обнаружил новых частиц, которые могли бы быть ответственны за темную материю».
Однако могут быть и другие объяснения темной материи, включая первичные черные дыры.
В этом случае попытка понять темную материю подразумевает взгляд назад во времени в годы становления Вселенной. Но чем дальше мы смотрим в этот тускло освещенный период, тем больше мы полагаемся на теорию. Именно здесь мы находим первичные черные дыры.
На данный момент ПЧД являются лишь теоретическими. В ранней Вселенной физика была иной, и она, возможно, позволяла плотным карманам материи коллапсировать прямо в черные дыры без звездного прародителя. Однако найти эти древние черные дыры оказалось непросто.
Коллаборация LIGO-Virgo отслеживает слияния черных дыр с 2015 года и обнаруживает их по гравитационным волнам. Эти данные показывают, что черные дыры, обнаруженные LIGO-Virgo, более массивны, чем другие черные дыры, обнаруженные в Млечном Пути. Их масса составляет от 20 до 100 солнечных масс против 5-20 солнечных масс.
«Объяснение того, почему эти две популяции черных дыр настолько различны, является одной из величайших загадок современной астрономии», — подчеркнул доктор Мруз.
Могут ли результаты LIGO-Virgo быть объяснены PBH? Поскольку мы обнаружили больше гравитационных волн, физики задались вопросом, не являются ли некоторые из них свидетельством слияния ПЧД.
«Детекторы гравитационных волн выявили популяцию массивных черных дыр, которые не похожи на те, что наблюдаются в Млечном Пути и происхождение которых спорно», — пишут Мруз и его соавторы в своей статье. Если это ПЧД, то они «… должны содержать от нескольких до 100% темной материи, чтобы объяснить наблюдаемые скорости слияния черных дыр».
К счастью, природа щедро предоставила нам возможность искать эти неуловимые древние черные дыры. Старик Берт Эйнштейн первым предположил, что их можно обнаружить благодаря тому факту, что масса искажает пространство-время и искривляет свет. Если эти ПЧД находятся в гало Млечного Пути, то гравитационное микролинзирование должно их обнаружить. Фактически, по мнению авторов, они должны вызывать события гравитационного микролинзирования, которые длятся годами.
Именно здесь на помощь приходит польская программа наблюдений OGLE. OGLE означает «Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию». Она началась в 1992 году и представляет собой долгосрочную программу наблюдений, в рамках которой неоднократно исследуются одни и те же области неба на предмет изменений. OGLE обнаружил экзопланеты и переменные звезды и внес свой вклад в наше понимание Млечного Пути другими способами.
Недавно OGLE опубликовала данные наблюдений почти 80 миллионов звезд за 20 лет в Большом Магеллановом Облаке, галактике-спутнике Млечного Пути. Данные относятся к периоду с 2001 по 2020 годы и включают поиск событий гравитационного микролинзирования.
«Микролинзирование происходит, когда три объекта — наблюдатель на Земле, источник света и линза — практически идеально выравниваются в пространстве», — сказал в пресс-релизе профессор Анджей Удальский, главный исследователь проекта OGLE. «Во время микролинзирования свет источника может отклоняться и увеличиваться, и мы наблюдаем временное усиление света источника».
Расчеты исследователей объясняют, что должен был обнаружить OGLE, если бы PBH были темной материей.
«Если бы вся темная материя Млечного Пути состояла из черных дыр массой 10 солнечных, мы должны были бы обнаружить 258 событий микролинзирования. Для 100 черных дыр солнечной массы мы ожидали 99 событий микролинзирования. На 1000 черных дыр с массой Солнца — 27 событий микролинзирования», — пояснил доктор Мруз в пресс-релизе.
Поскольку OGLE настолько чувствителен, он также должен был обнаружить больше событий микролинзирования малой массы. «Наш эксперимент имеет самую высокую чувствительность к PBH с массой 0,01 M; мы должны были бы обнаружить более 1100 событий, если бы вся темная материя состояла из таких объектов», — пишут авторы в своей статье.
OGLE обнаружил 13 событий микролинзирования, но ни одно из них не длилось дольше одного года. Результаты, похоже, исключают ПЧД как темную материю. Их анализ показывает, что все 13 звезд можно объяснить известными звездными популяциями как в Млечном Пути, так и в Большом Магеллановом Облаке.
«Наши наблюдения показывают, что первичные черные дыры не могут составлять значительную часть темной материи и одновременно объяснять наблюдаемые скорости слияния черных дыр, измеренные LIGO и Virgo. Полученные нами результаты останутся в учебниках по астрономии на десятилетия вперед», — сказал профессор Удальски.
К сожалению, главы учебников, посвященные Темной Материи, останутся безрезультатными. Возможно, некоторые молодые люди, читающие эти главы, в конечном итоге найдут ответ.
