Что такое Темная материя? Этот вопрос занимает видное место в дискуссиях о природе Вселенной. Существует множество предложенных объяснений темной материи как в рамках Стандартной модели, так и за ее пределами.
Одним из предполагаемых компонентов темной материи являются первичные черные дыры, созданные в ранней Вселенной без коллапсирующей звезды в качестве прародителя.
Проблема темной материи — это проблема недостающей массы. Галактики не должны удерживаться вместе согласно своей наблюдаемой массе. Их наблюдаемая масса состоит из звезд, газа, пыли и небольшого количества планет.
Чтобы галактики не рассеялись, должна присутствовать какая-то другая форма массы. Темная материя — это имя-заполнитель того, чем может быть эта недостающая масса. Астроном Фриц Цвикки впервые использовал этот термин в 1933 году, когда наблюдал за скоплением Комы и обнаружил признаки отсутствия массы. Около 90% скопления Комы лишены массы, которую Цвикки назвал «dunkle Materie».
Первичные черные дыры (ПЧД) являются одним из главных кандидатов на роль темной материи. В самые ранние времена Вселенной очаги плотной субатомной материи могли образовываться естественным путем. Будучи достаточно плотными, они могли бы коллапсировать прямо в черные дыры. В отличие от своих астрофизических собратьев, у них не было звездных прародителей.
Недавние наблюдения JWST и результаты LIGO/Virgo подтверждают идею о том, что ПЧД представляют собой темную материю. Некоторые исследователи идут дальше и говорят, что эти данные подтверждают идею о том, что темная материя состоит исключительно из ЧДД и не имеет других компонентов.
Новое исследование предполагает, что некоторые из ранних ПЧД могли бы слиться и что LIGO/Virgo сможет обнаружить гравитационные волны от слияния. Исследование называется «Ограничения первичных черных дыр в результате событий LIGO-Virgo-KAGRA O3». Ведущий автор — М. Андрес-Каркасона, аспирант Института физики высоких энергий Барселонского института науки и технологий.
В 2015 году LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) обнаружила первое слияние черных дыр. В то время исследователи объявили об открытии нового окна во Вселенную. До этого астрономические наблюдения основывались на электромагнитном излучении, но LIGO/Virgo изменила ситуацию.
Теперь Япония присоединилась к сотрудничеству LIGO/Virgo со своей обсерваторией гравитационных волн Карга, а международное мероприятие получило название LIGO/Virgo/Karga (LVK). Вместе три обсерватории собирают данные о гравитационных волнах.
«Предыдущие работы исследовали использование данных ГВ для поиска прямых или косвенных доказательств существования ЧДД», — пишут авторы. «Специально целенаправленные поиски компактных объектов подсолнечной массы, которые могли бы дать убедительный сигнал о существовании ЧДД, до сих пор не увенчались успехом».
Авторы отмечают, что в нашем растущем объеме данных о ГВ могут быть признаки существования ЧДД, которые были упущены методами других исследователей. Они пишут, что некоторые массы компонентов «… попадают в регионы, где астрофизические модели их не предсказывают, что потенциально позволяет предположить существование популяции ПЧД», пишут они.
Функция масс ПЧД играет большую роль в образовании ПЧД. Их цель — обновить ограничения по массе PBH в данных GW. «Одна из наших целей — получить ограничения, которые существенно не зависят от основного сценария формирования. Таким образом, мы рассматриваем множество различных массовых функций ПЧД», — объясняют они.
Они упоминают два основных сценария формирования: астрофизический и первичный. В рамках первичной категории существуют разные способы формирования ЧДД, и все они связаны с функцией массы. Авторы объясняют, что ПЧД могли бы объяснить всю темную материю, но только если они находятся в пределах 10-16 до 10-12 солнечные массы.
«Легкие ПЧД сегодня испаряются и могут составлять лишь небольшую часть ТМ», — пишут они.
Астрофизические ЧД образуют двойные системы и могут сливаться, испуская гравитационные волны. Если ПЧД сольются, они также будут излучать гравитационные волны. Вполне возможно, что некоторые из этих слияний лежат в основе некоторых данных GW, обнаруженных LIGO/Virgo/Karga в ходе третьего сеанса наблюдений. Исследователи представляют свои результаты в виде пессимистического и оптимистического случая. В пессимистическом случае все наблюдения GW происходят в результате слияний астрофизических черных дыр (ABH), тогда как в оптимистическом случае предполагается, что некоторые из них являются результатом слияний PBH.
Их исследования и их результаты включают в себя огромное количество сложных физических терминов и отношений. Но главный вопрос заключается в том, могут ли ЧДД частично или полностью содержать темную материю. В этом контексте, к чему сводятся результаты?
Исследователи говорят, что в своем анализе популяции как астрофизических, так и первичных двойных систем, ПЧД не могут полностью состоять из темной материи. В лучшем случае они могут составить небольшую его часть.
«…в популяции двойных систем, состоящих из первичных и астрофизических черных дыр, мы обнаруживаем, что при каждом сценарии ПЧД могут составлять не более жPBH меньше или равно 10-3 темной материи в диапазоне масс от 1 до 200 солнечных масс».
жPBH представляет собой долю темной материи, которую могут содержать PBH, 10-3 означает 0,001, а диапазон солнечной массы говорит сам за себя. Не нужно быть физиком, чтобы понять, о чем они говорят. Согласно их анализу, ПЧД могут составлять лишь небольшую часть темной материи.
Возможно, это исследование не станет сенсационным. Это взгляд под капот астрофизики и космологии, где группы исследователей усердно работают, чтобы постепенно ограничивать и определять различные явления. Но это не умаляет его значимости.
Однажды может появиться заголовок, кричащий: «Физики идентифицируют темную материю!» Ответы на важные вопросы Вселенной!»
Если это когда-нибудь произойдет, за этим будут стоять сотни и тысячи исследований, подобных этому.
