Что такое тёмная материя? Этот вопрос занимает видное место в дискуссиях о природе Вселенной. Существует множество предложенных объяснений тёмной материи, как в рамках Стандартной модели, так и за её пределами.
Один из предполагаемых компонентов тёмной материи — первичные чёрные дыры, возникшие в ранней Вселенной без коллапсирующей звезды в качестве прародителя.
Проблема тёмной материи — это проблема недостающей массы. Галактики не должны иметь возможности удерживаться и не разлетаться на части, если судить только по их видимой массе. Их наблюдаемая масса — это звёзды, газ, пыль и россыпь планет.
Чтобы галактики не распадались, в космосе должна присутствовать какая-то другая форма массы. Тёмная материя — это условное название той массы, которой не хватает. Астроном Фриц Цвикки впервые использовал этот термин в 1933 году, когда наблюдал за скоплением Комы и обнаружил признаки недостающей массы. Около 90 % скопления Комы — это недостающая масса, которую Цвикки назвал «тёмной материей».
Первичные чёрные дыры (ПЧД) — один из ведущих кандидатов на тёмную материю. На заре Вселенной карманы плотной субатомной материи могли образоваться естественным образом. Став достаточно плотными, они могли коллапсировать, превращаясь непосредственно в чёрные дыры. В отличие от астрофизических аналогов, у них не было звёздных предшественников.
Недавние наблюдения «Уэбба» и результаты работы LIGO/Virgo подтверждают идею о том, что ПЧД являются тёмной материей. Некоторые исследователи идут дальше и говорят, что эти данные подтверждают идею о том, что тёмная материя состоит исключительно из ПЧД и не имеет других компонентов.
Новое исследование предполагает, что некоторые из ранних ПЧД сливались, и что LIGO/Virgo может обнаружить гравитационные волны от слияний. Исследование называется «Ограничения на первичные чёрные дыры по событиям LIGO-Virgo-KAGRA O3«. Ведущий автор — М. Андрес-Каркасона, аспирант Института физики высоких энергий при Барселонском институте науки и технологий.
В 2015 году LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) обнаружила первое слияние чёрных дыр. В то время исследователи приветствовали это новое окно во Вселенную. До этого астрономические наблюдения основывались на электромагнитном излучении, но LIGO/Virgo изменил эту ситуацию.
Теперь к сотрудничеству LIGO/Virgo присоединилась Япония со своей гравитационно-волновой обсерваторией Karga, и международная работа получила название LIGO/Virgo/Karga (LVK). Вместе эти три обсерватории собирают данные о гравитационных волнах.
«В предыдущих работах изучалось использование данных о гравитационных волнах для поиска прямых или косвенных доказательств существования ПЧД», — пишут авторы. «Конкретные целевые поиски компактных объектов субсолнечной массы, которые могли бы послужить сигналом к существованию ПЧД, до сих пор были безуспешными».
Авторы отмечают, что в нашем растущем массиве данных о гравитационных волнах могут быть признаки ПЧД, которые были пропущены другими исследователями. Они пишут, что некоторые массы компонентов «… попадают в области, где астрофизические модели их не предсказывают, что потенциально указывает на наличие популяции ПЧД «, — пишут они.
Массовая функция ПЧД играет большую роль в формировании ПЧД. Их цель — обновить ограничения на массу ПЧД в данных гравитационных волн. «Одна из наших целей — вывести ограничения, которые не зависят существенно от основного сценария формирования. Таким образом, мы рассматриваем множество различных функций массы ПЧД», — объясняют они.
Два основных сценария образования, которые они упоминают, — это астрофизический и первичный. В рамках первичного существуют различные способы формирования ПЧД, и все они связаны с массовой функцией. Авторы объясняют, что ПЧД могут объяснить всю совокупность тёмной материи, но только если они находятся в диапазоне от 10^-16 до 10^-12 солнечных масс.
«Более лёгкие ПЧД уже сегодня испаряются и могут составлять лишь малую часть тёмной материи», — пишут они.
Астрофизические чёрные дыры образуют бинары и могут сливаться, посылая вовне гравитационные волны. Если ПЧД сливаются, они также будут посылать гравитационные волны. Возможно, что некоторые из этих слияний стоят за некоторыми данными о гравитационных волнах, обнаруженными LIGO/Virgo/Karga в ходе третьего цикла наблюдений. Исследователи представляют свои результаты в виде пессимистического и оптимистического вариантов. Согласно пессимистическому варианту, все наблюдения гравитационных волн относятся к слияниям астрофизических чёрных дыр, в то время как оптимистический вариант предполагает, что некоторые из них являются результатом слияния ПЧД.
Их исследование и его результаты включают в себя ужасно большое количество сложных физических терминов и взаимосвязей. Но главный вопрос заключается в том, могут ли ПЧД частично или полностью составлять тёмную материю. В этом контексте к чему сводятся полученные результаты?
Исследователи говорят, что, согласно их анализу популяции астрофизических и первичных бинарных чёрных дыр, ПЧД не могут полностью составлять тёмную материю. В крайнем случае, они могут составлять небольшую её часть.
«… в популяции бинаров, состоящих из первичных и астрофизических чёрных дыр, мы обнаружили, что при любом сценарии ПЧД могут составлять не более 10^-3 всей массы тёмной материи в диапазоне масс от 1 до 200 масс Солнца».
Не нужно быть физиком, чтобы понять, что они говорят. Судя по их анализу, ПЧД могут составлять лишь крошечную часть тёмной материи.
Это исследование, возможно, и не является сенсационным. Это взгляд под капот астрофизики и космологии, где команды исследователей упорно работают над постепенным ограничением и определением различных явлений. Но это не умаляет его значимости.
В один прекрасный день может появиться заголовок: «Физики идентифицировали тёмную материю! Ответы на большие вопросы Вселенной!».
Если это когда-нибудь произойдёт, за этим будут стоять сотни и тысячи исследований, подобных данному.
