Происхождение черных дыр и темная материя: новое исследование

Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo обнаружили популяцию черных дыр, происхождение которых является одной из величайших загадок современной астрономии. Согласно одной из гипотез, эти объекты могли образоваться в самой ранней Вселенной и включать в себя темную материю — загадочное вещество, заполняющее Вселенную. Результаты двадцатилетних наблюдений, проведенных в рамках проекта OGLE учеными Астрономической обсерватории Варшавского университета, теперь были описаны в журналах «Nature» и «Astrophysical Journal Supplement Series».

Согласно одной из гипотез, черные дыры, обнаруженные с помощью детекторов гравитационных волн, были созданы в очень молодой Вселенной. Помимо испускания гравитационных волн, они создают загадочную темную материю, заполняющую пространство. Исследования, проведенные учеными из Астрономической обсерватории (ОА) Варшавского университета в рамках проекта OGLE (Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию), показали, что этот тип черных дыр может включать в себя лишь крошечный процент темной материи, поэтому необходимы другие объяснения для источников гравитационных волн.

Тайна темной материи

Астрономические наблюдения показывают, что «обычная» материя, которую мы можем потрогать или увидеть, составляет лишь 5% от общей массы и энергии всей Вселенной. В Млечном Пути на 1 кг вещества, содержащегося в звездах, приходится 15 кг так называемой темной материи, которая взаимодействует в обычным веществом только посредством гравитации.

– Природа темной материи остается великой загадкой. Большинство ученых полагают, что она состоит из неизвестных элементарных частиц. Проблема в том, что, несмотря на многие десятилетия усилий, ни один эксперимент, в том числе эксперименты, проведенные с использованием Большого адронного коллайдера, не привели к открытию новых частиц, которые могли бы создавать темную материю, — объясняет доктор Пшемыслав Мруз из OA UW, первый автор публикации.

С 2015 года, когда было произведено первое прямое наблюдение гравитационных волн от пары сливающихся черных дыр, детекторы LIGO и Virgo обнаружили еще более девяноста подобных явлений. Было отмечено, что черные дыры, обнаруженные с помощью гравитационных волн, гораздо более массивны (обычно 20–100 солнечных масс), чем известные ранее в Млечном Пути (обычно 5–20 солнечных масс).

– Объяснение того, почему эти две популяции черных дыр так сильно различаются, – одна из величайших загадок современной астрономии, – говорят ученые. Одно из возможных объяснений этого явления предполагало, что детекторы гравитационных волн обнаруживают так называемые первичные черные дыры, которые могли быть созданы на самых ранних этапах эволюции Вселенной.

– Мы знаем, что молодая Вселенная не была идеально гладкой – небольшие колебания плотности породили нынешние галактики и скопления галактик. Подобные колебания плотности, если бы они имели достаточно большую амплитуду, могли бы схлопнуться под собственным весом и образовать черные дыры. Более того, с момента открытия гравитационных волн растет число предположений о том, что такие черные дыры потенциально могут быть ответственны за большую часть, если не за всю, темную материю во Вселенно.

Как отмечают исследователи, эту гипотезу можно проверить с помощью астрономических наблюдений. Известно, что в Млечном Пути также обнаружено большое количество темной материи. Если предположить, что темная материя входит в состав массивных черных дыр, их следует обнаружить в ближайшем космическом окружении. Проблема, однако, в том, что черные дыры не светятся.

Микролинзирование

Это явление можно проанализировать с помощью общей теории относительности, впервые сформулированной Альбертом Эйнштейном, которая предсказывает, что свет далеких звезд может преломляться в гравитационном поле массивных объектов. Это так называемый явление гравитационного микролинзирования.

— Микролинзирование возникает, если три объекта: наблюдатель, источник света и объект-линза — почти точно совпадают в пространстве. Свет от источника может отклоняться и значительно усиливаться, при этом наблюдается временное усиление яркости.

Длительность усиления яркости зависит от массы линзирующего объекта. Чем больше масса, тем дольше длится явление микролинзирования. В случае звезд с массой Солнца яркость обычно длится несколько месяцев, в случае черных дыр в сотни раз больше Солнца она должна длиться несколько лет», — говорит профессор Анджей Удальский, руководитель проекта OGLE.

Двадцать лет наблюдений

В последней публикации в Astrophysical Journal Supplement астрономы проекта OGLE представляют многолетние наблюдения примерно за 80 миллионами звезд, расположенных в соседней галактике, называемой Большим Магеллановым Облаком, и анализируют возникновение явлений гравитационного микролинзирования в этом направлении. Данные получены в ходе третьего и четвертого этапов проекта OGLE и были собраны в 2001–2020 годах.

— Это самая большая и самая точная временная последовательность фотометрических наблюдений Большого Магелланова Облака, собранная в истории современной астрономии, — подчеркивает проф. Удальский.

В параллельной статье, опубликованной в журнале Nature, представлены астрофизические последствия результатов, полученных в результате этих уникальных наблюдений.

– Если бы вся темная материя входила в черные дыры массой 10 солнечных масс, мы должны были бы зарегистрировать в общей сложности 258 событий микролинзирования. В случае черных дыр с массой 100 солнечных масс — 99 явлений, 1000 солнечных масс — 27 явлений, — объясняют ученые.

Астрономы обнаружили тринадцать событий микролинзирования в данных OGLE. При этом большинство из них были относительно непродолжительными, продолжавшимися менее 100 дней. Их подробный анализ показал, что все они могли быть вызваны обычными звездами в диске Млечного Пути или в самом Большом Магеллановом Облаке, а не черными дырами.

– Это указывает на то, что массивные черные дыры могут включать максимум небольшую часть темной материи, – заключают исследователи.

Детальные расчеты показывают, что черные дыры массой 10 солнечных масс могут включать максимум 1,2% темной материи, 100 солнечных масс — 3% темной материи, 1000 солнечных масс — 11% темной материи.

– Наши наблюдения доказывают, что первичные черные дыры не могут одновременно быть источниками гравитационных волн и включать значительную часть темной материи, – говорит профессор Анджей Удальский.

Ученые подчеркивают, что гораздо более вероятны другие объяснения больших масс черных дыр, открытых LIGO и Virgo. Одна из таких гипотез заключается в том, что они возникли в результате эволюции массивных звезд с низким содержанием тяжелых элементов. Другая гипотеза состоит в том, что черные дыры возникли в результате слияния более мелких объектов в областях с высокой звездной плотностью (например, в шаровых скоплениях).