Нове дослідження обмежує внесок чорних дір у темну матерію
Статистичний аналіз 740 спалахів наднових показав, що на чорні діри може припадати не більше 40 відсотків обсягу темної матерії, що є у Всесвіті, що в свою чергу забиває черговий цвях в кришку труни теорії про масивних астрофізичних компактних об’єктах гало. Згідно цієї теорії, джерелом темної матерії можуть бути первинні чорні діри. Спостереження двох американських вчених з Каліфорнійського університету в Берклі ставлять під сумнів цю теорію.
У лютому 2016 року вчені лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) оголосили про нову еру в астрономії. Дослідники вперше виявили передбачені гравітаційні хвилі, створені парою зіткнулися чорних дір. Якщо не брати в розрахунок саму дивовижну природу відкриття, виявлення гравітаційних хвиль відродило стару теорію про те, що темна матерія є похідною масивних астрофізичних компактних об’єктів гало (MACHO), ультраплотных об’єктів, що не випромінюють світло.
Згідно сучасним припущеннями на темну матерію може доводитися до 85 відсотків обсягу всієї матерії Всесвіту, однак фізики досі цю матерію не виявили, тому не знають, що вона собою являє. Тема існування темної матерії зібрала навколо себе активне обговорення після того, американський астроном Віра Рубін в 70-х роках, вивчаючи кривих обертання галактик, виявила розбіжності між передбаченим круговим рухом галактик і спостережуваним рухом (зірки на краю галактик повинні обертатися повільніше тих, що знаходяться ближче до галактичного центру, але спостереження показало, що швидкість обертання зовнішніх і внутрішніх зірок фактично була однаковою). Цей факт, який здобув популярність як «проблема обертання галактики», став одним з основних свідчень на користь існування темної матерії. Однак питання про те, що з себе представляє темна матерія, як і раніше, залишався і залишається відкритим.
За наступні кілька десятиліть було запропоновано безліч кандидатів на роль темної матерії. Сьогодні найбільш популярними є такі частинки як аксіони або слабовзаимодействующие частинки. Однак запропонованими кількома десятиліттями раніше теорією MACHO об’єкти (зокрема чорні діри) розглядалися в якості основного джерела темної матерії. Відповідно до даної теорії, темна матерія насправді складається з барионных часток (частки звичайної матерії, які можна побачити), що рухаються в міжзоряному просторі, будучи не пов’язаними ні з якою планетної системою і практично (або повністю) не випромінювальних ніякої енергії. Згідно теорії, MACHO можуть представляти собою нейтронні зірки, коричневі карлики, планети-сироти та первинні чорні діри, що з’явилися незабаром після Великого вибуху.
У 90-х роках теорія про MACHO-об’єктах вийшла з моди. Вчені зосередили пошук джерела темної матерії в частинках, однак недавнє відкриття LIGO знову підігріло інтерес до чорних дірок, як можливого пояснення невидимої темної матерії.
Оскільки MACHO-об’єкти, відповідно до теорії, не випромінюють ніякої енергії, для спостерігача ці об’єкти будуть «темними», тобто невидимими. Виходячи з цього, дослідники очікували виявити їх за допомогою ефекту гравітаційного мікролінзування. Це феномен викривлення світлових хвиль спостережуваного об’єкта по відношенню до спостерігача за рахунок дуже потужного гравітаційного поля дуже щільних і масивних об’єктів, що перебувають між спостережуваним об’єктом і спостерігачем. Цей ефект здатний істотно збільшити яскравість дуже віддалених від нас зірок і дозволити побачити ті об’єкти, які неможливо побачити звичайними традиційними способами спостереження. Роль гравітаційних лінз можуть виконувати, наприклад, галактики, галактичні скупчення, а також ті ж чорні діри.
Фізики Мігель Цумалакрареги і Урош Селяк з Каліфорнійського університету в Берклі провели складний аналіз даних 740 спалахів наднових – екстремально яскравих вибухів зірок, — щоб простежити за вкладом первинних чорних дір у створенні ефекту викривлення і посилення світла наднових. Спалахи наднових часто використовуються астрономами для вимірювання відстаней у Всесвіті, оскільки ці об’єкти володіють неймовірною яскравістю, яка дуже повільно знижується, дозволяючи провести її розрахунки. Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters.
Вчені припускали, що відхилення яскравості на кілька десятих відсотків, що вказує на ефект мікролінзування на чорних дірах і пояснюється масою невидимої темної матерії буде виявлено хоча б у 8 з 740 спостережуваних наднових. Проте вчені так і не знайшли жодного відхилення, що вказує на мікролінзування на чорній дірі.
Висновки дослідження не виключають чорні діри як джерела темної матерії, але істотно обмежують їх внесок в її обсяги всередині Всесвіту. Згідно з підрахунками, навіть якщо чорні діри дійсно вносять внесок у феномени, які пов’язують з темною матерією, то він становить не більше 40 відсотків. За словами авторів, у них вже є на руках і поки ще не опубліковані результати більш повного аналізу, який охопив понад 1000 наднових і змушує ще більше знизити цю цифру — максимум до 23 відсотків.
«Ми знову повертаємося до звичайних дискусій. Що таке темна матерія? Схоже, хороші варіанти у нас закінчилися. Це завдання для наступних поколінь», — говорить професор Урог Селяк.
