Первичные чёрные дыры могут быть лишь небольшой составляющей тёмной материи

На этой иллюстрации художника показано, как могли бы выглядеть первичные чёрные дыры. В реальности чёрные дыры боролись бы за формирование аккреционных дисков, как показано на рисунке
На этой иллюстрации художника показано, как могли бы выглядеть первичные чёрные дыры. В реальности чёрные дыры боролись бы за формирование аккреционных дисков, как показано на рисунке

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”.

 На этой мозаике космического телескопа "Хаббл" изображена часть огромного скопления галактик Кома, содержащего более 1000 галактик и расположенного на расстоянии 300 миллионов световых лет. Быстрое движение его галактик стало первой подсказкой о существовании тёмной материи.
На этой мозаике космического телескопа “Хаббл” изображена часть огромного скопления галактик Кома, содержащего более 1000 галактик и расположенного на расстоянии 300 миллионов световых лет. Быстрое движение его галактик стало первой подсказкой о существовании тёмной материи.

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.

 Изображение, основанное на суперкомпьютерном моделировании космологической среды, в которой первородный газ подвергается прямому коллапсу в чёрную дыру.
Изображение, основанное на суперкомпьютерном моделировании космологической среды, в которой первородный газ подвергается прямому коллапсу в чёрную дыру.

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.

 На этом графике ЕКА показано, как с помощью «Уэбба» и LISA, космической антенны лазерного интерферометра, можно обнаружить первичные чёрные дыры и разгадать тайну тёмной материи. К сожалению, до запуска LISA ещё как минимум десять лет.
На этом графике ЕКА показано, как с помощью «Уэбба» и LISA, космической антенны лазерного интерферометра, можно обнаружить первичные чёрные дыры и разгадать тайну тёмной материи. К сожалению, до запуска LISA ещё как минимум десять лет.

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?

 На этой иллюстрации художника изображены маленькие чёрные дыры в аккреционном диске сверхмассивной чёрной дыры. В начале 2024 года группа исследователей обнаружила доказательства существования небольшой чёрной дыры внутри аккреционного диска сверхмассивной чёрной дыры. Малая чёрная дыра, если она существует, имеет массу от 100 до 10 000 масс Солнца. В нижней части этого диапазона она имеет ту же массу, что и сверхмассивная чёрная дыра. Предполагается, что она не является первозданной, но она показывает, как много нам ещё предстоит узнать о чёрных дырах.
На этой иллюстрации художника изображены маленькие чёрные дыры в аккреционном диске сверхмассивной чёрной дыры. В начале 2024 года группа исследователей обнаружила доказательства существования небольшой чёрной дыры внутри аккреционного диска сверхмассивной чёрной дыры. Малая чёрная дыра, если она существует, имеет массу от 100 до 10 000 масс Солнца. В нижней части этого диапазона она имеет ту же массу, что и сверхмассивная чёрная дыра. Предполагается, что она не является первозданной, но она показывает, как много нам ещё предстоит узнать о чёрных дырах.

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.

 

Источник

Читайте также