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 могут объяснить лишь часть темной материи На этой мозаике космического телескопа «Хаббл» показана часть огромного скопления галактик Кома, которое содержит более 1000 галактик и расположено на расстоянии 300 миллионов световых лет от нас. Быстрое движение галактик стало первым признаком существования темной материи. Авторы и права: НАСА, ЕКА, Дж. Мак (STScI) и Дж. Мадрид (Австралийский национальный телескоп).](/wp-content/uploads/2024/06/hubble-coma-cluster-920x1024.jpg)
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.
![Первичные черные дыры могут объяснить лишь часть темной материи Collapse Simulation 1024x1024 - Первичные черные дыры могут объяснить лишь часть темной материи](/wp-content/uploads/2024/06/Collapse-Simulation-1024x1024.jpg)
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.
![Первичные черные дыры могут объяснить лишь часть темной материи На этом рисунке ЕКА показано, как мы могли бы обнаружить первичные черные дыры и помочь разгадать тайну темной материи с помощью JWST и LISA, космической антенны лазерного интерферометра. К сожалению, до запуска LISA осталось как минимум десять лет. Изображение предоставлено: ЕКА](/wp-content/uploads/2024/06/bbbh-1024x576.jpg)
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?
![Первичные черные дыры могут объяснить лишь часть темной материи На иллюстрации этого художника изображены маленькие черные дыры в аккреционном диске сверхмассивной черной дыры. В начале 2024 года группа исследователей обнаружила доказательства существования небольшой черной дыры внутри аккреционного диска сверхмассивной черной дыры. Маленькая ЧД, если она существует, имеет массу от 100 до 10 000 солнечных масс. В нижней части этого диапазона она имеет ту же массу, что и PBH. Ее не считают первобытной, но она указывает на то, как много нам еще предстоит узнать о черных дырах. Фото: Калифорнийский технологический институт/Р. Больно (IPAC)](/wp-content/uploads/2024/06/primordial-1024x576.jpg)
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.