Впечатление художника об эффекте микролинзирования, вызванном черной дырой, наблюдаемой с Земли в направлении Большого Магелланова Облака. Свет фоновой звезды в Большом Магеллановом Облаке отклоняется предполагаемой первичной черной дырой (линзой) в галактическом гало и усиливается от Земли. Микролинзирование вызывает очень характерные колебания яркости фоновой звезды, что позволяет определить массу и расстояние до линзы. Фото предоставлено: Дж. Скоурон / OGLE. Большое фоновое изображение Магелланова облака: создано Кевином Лохом с помощью bsrender с использованием базы данных ESA/Gaia.
Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo обнаружили популяцию массивных черных дыр, происхождение которых является одной из величайших загадок современной астрономии. Согласно одной из гипотез, эти объекты могли возникнуть в самой ранней Вселенной и содержать темную материю — загадочное вещество, заполняющее Вселенную.
Группа ученых из исследования OGLE (Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию) в Астрономической обсерватории Варшавского университета объявила результаты почти 20-летних наблюдений, которые показывают, что такие массивные черные дыры могут содержать не более нескольких процентов темной материи. Поэтому требуется другое объяснение источников гравитационных волн. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature и в исследовании Astrophysical Journal Supplement Series.
Различные астрономические наблюдения показывают, что обычная материя, которую мы можем увидеть или потрогать, составляет лишь 5% от общей массы и энергии Вселенной. В Млечном Пути на каждый 1 кг обычной материи в звездах приходится 15 кг темной материи, которая не излучает свет и взаимодействует только за счет своей гравитационной силы.
«Природа темной материи остается загадкой. Большинство учёных полагают, что он состоит из неизвестных элементарных частиц», — говорит доктор. Пшемек г-н Оз из Астрономической обсерватории Варшавского университета, ведущий автор обеих статей. «К сожалению, несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент (включая эксперименты на Большом адронном коллайдере) не обнаружил новых частиц, которые могли бы быть ответственны за темную материю».
С момента первого обнаружения гравитационных волн от сливающейся пары черных дыр в 2015 году эксперименты LIGO и Virgo зарегистрировали более 90 таких событий. Астрономы заметили, что черные дыры, открытые LIGO и Virgo, обычно значительно более массивны (20–100 солнечных масс), чем ранее известные в Млечном Пути (5–20 солнечных масс).
«Объявление того, почему эти две популяции черных дыр настолько различны, является одной из величайших загадок современной астрономии», — говорит доктор. Мистер Оз.
Одно из возможных объяснений предполагает, что детекторы LIGO и Virgo обнаружили популяцию первичных черных дыр, которые могли образоваться в ранней Вселенной. Их существование было впервые предположено более 50 лет назад британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом и независимо советским физиком Яковом Зельдовичем.
«Мы знаем, что ранняя Вселенная не была идеально однородной — небольшие колебания плотности привели к образованию сегодняшних галактик и скоплений галактик», — говорит доктор. Мистер Оз. «Подобные флуктуации плотности, когда они превышают критический контраст плотности, могут коллапсировать и образовывать черные дыры».
С момента первого открытия гравитационных волн все больше и больше ученых предполагают, что такие первичные черные дыры могут составлять значительную часть, если не всю, темной материи.
К счастью, эту гипотезу можно подтвердить астрономическими наблюдениями. Мы наблюдаем, что в Млечном Пути присутствует большое количество темной материи. Если бы он состоял из черных дыр, мы смогли бы обнаружить их в окрестностях нашего космического пространства. Возможно ли это, ведь черные дыры не излучают заметного света?
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, свет может изгибаться и отклоняться в гравитационном поле массивных объектов — явление, называемое гравитационным микролинзированием.
«Микролинзирование происходит, когда три объекта — наблюдатель на Земле, источник света и линза — почти идеально выровнены в пространстве», — говорит профессор Анджей Удальский, ведущий исследователь исследования OGLE. «Во время микролинзирования свет от источника может отклоняться и усиливаться, и мы наблюдаем временное осветление света от источника».
Продолжительность просветления зависит от массы линзируемого объекта: чем больше масса, тем дольше длится событие. События микролинзирования объектов солнечной массы обычно длятся несколько недель, а события, происходящие из черных дыр, в 100 раз более массивных, чем Солнце, займут несколько лет.
Идея использования гравитационного микролинзирования для изучения темной материи не нова. Впервые он был предложен польским астрофизиком Богданом Пачинским в 1980-х годах. Его идея вдохновила начало трёх крупных экспериментов: польского OGLE, американского MACHO и французского EROS. Первые результаты этих экспериментов показали, что черные дыры с массой менее солнечной могут составлять менее 10% темной материи. Однако эти наблюдения не были чувствительны к чрезвычайно долгопериодическим эффектам микролинзирования и, следовательно, к массивным черным дырам, таким как те, которые недавно были обнаружены с помощью детекторов гравитационных волн.
Ожидаемые и наблюдаемые эффекты микролинзирования массивных объектов в направлении Большого Магелланова Облака, видимые через гало Млечного Пути. Если бы темная материя во Вселенной состояла из предполагаемых первичных черных дыр, в ходе исследования OGLE в 2001–2020 годах было бы обнаружено более 500 эффектов микролинзирования. На самом деле проект OGLE зарегистрировал всего 13 открытий микролинзирования, вызванного, скорее всего, нормальными звездами. Фото предоставлено: Дж. Скоурон / OGLE. Большое фоновое изображение Магелланова облака: создано Кевином Лохом с помощью bsrender с использованием базы данных ESA/Gaia.
В новой статье в серии приложений к журналу Astrophysical Journal астрономы OGLE представляют результаты почти 20-летнего фотометрического мониторинга почти 80 миллионов звезд в соседней галактике, Большого Магелланова Облака, и поиска событий гравитационного микролинзирования. Анализируемые данные были собраны в ходе третьего и четвертого этапов проекта OGLE с 2001 по 2020 год.
«Этот набор данных обеспечивает самые продолжительные, обширные и точные фотометрические наблюдения звезд в Большом Магеллановом Облаке в истории современной астрономии», — говорит профессор Удальски.
Во второй статье, опубликованной в журнале Nature, обсуждаются астрофизические последствия полученных результатов.
«Если бы вся темная материя Млечного Пути состояла из черных дыр с массой 10 солнечных, нам пришлось бы обнаружить 258 событий микролинзирования», — говорит доктор. Мистер Оз. «Для 100 черных дыр солнечной массы мы ожидали 99 событий микролинзирования. Для 1000 черных дыр солнечной массы — 27 событий микролинзирования».
Напротив, астрономы OGLE обнаружили только 13 событий микролинзирования. Их подробный анализ показывает, что все они могут быть объяснены известными звездными популяциями в Млечном Пути или самом Большом Магеллановом Облаке, а не черными дырами.
«Это говорит о том, что массивные черные дыры могут составлять максимум несколько процентов темной материи», — говорит доктор. Мистер Оз.
Детальные расчеты показывают, что черные дыры с 10 массами Солнца могут составлять не более 1,2% темной материи, 100 черных дыр с массой Солнца могут составлять 3,0% темной материи и 1000 черных дыр с массой Солнца могут составлять 11% темной материи.
«Наши наблюдения показывают, что первичные черные дыры не могут составлять значительную часть темной материи и в то же время объясняют наблюдаемые скорости слияния черных дыр, измеренные LIGO и Virgo», — говорит профессор Удальски.
Поэтому требуются другие объяснения массивным черным дырам, открытым LIGO и Virgo. По одной из гипотез, они образовались как продукт эволюции массивных звезд с низкой металличностью. Другая возможность — слияние менее массивных объектов в плотных звездных средах, таких как шаровые скопления.
«Наши результаты будут в учебниках по астрономии еще десятилетия», — добавляет профессор Удальски.
Информация от: Варшавским университетом
