Реликтовое излучение не оставило шансов невероятно большим первичным черным дырам

Физики из Майнцского института теоретической физики под руководством Николаса Лейстера проверили, могут ли гипотетические первичные черные дыры колоссальной массы составлять заметную часть темной материи, и пришли к выводу, что даже если такие объекты существуют, их вклад в загадочную субстанцию должен быть ничтожно мал. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, опирается на сравнение теоретических расчетов с данными о реликтовом излучении и фактически закрывает одну из популярных гипотез о природе невидимой массы Вселенной.

Темная материя остается одной из самых интригующих загадок современной науки. Мы знаем, что она составляет примерно 85 процентов всей материи во Вселенной, влияет на движение галактик и формирование крупномасштабной структуры мира, но до сих пор не имеем ни малейшего представления, из каких частиц или объектов она состоит. Долгое время физики предлагали различных кандидатов, и один из самых экзотических — первичные черные дыры, которые могли возникнуть не из умерших звезд, а напрямую из сверхплотных сгустков материи в первые мгновения после Большого взрыва.

Среди них особенно интриговал класс так называемых невероятно больших черных дыр, каждая из которых тяжелее Солнца в сто миллиардов раз и больше самых крупных сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Именно их Николас Лейстер и его коллеги решили проверить на прочность.

Логика исследования строилась на простом, но изящном рассуждении. Если бы такие черные дыры действительно существовали и были случайным образом разбросаны по пространству, то в одних областях их скопилось бы больше, чем в других, просто в силу статистики. Поначалу каждый избыток черных дыр компенсировался нехваткой излучения, так что общий баланс сохранялся. Однако Вселенная расширялась, излучение слабело, и это равновесие неизбежно нарушалось. В результате должны были возникнуть заметные перекосы в соотношении темной материи и излучения, которые со временем только усиливались. Чем меньше и тяжелее оказывались бы черные дыры, тем более неравномерной становилась бы их случайная «россыпь» по космосу.

Чтобы проверить, оставила ли такая неоднородность следы, команда ученых сравнила свои предсказания с данными наблюдений космического микроволнового фона. Этот слабый сигнал, доносящийся до нас из эпохи ранней Вселенной, служит своеобразной фотографией распределения материи на самых больших масштабах.

Расчеты показали, что значительное количество невероятно больших первичных черных дыр привело бы к слишком сильному дисбалансу между темной материей и излучением. Такой перекос должен был бы оставить отчетливые отпечатки на реликтовом излучении, но в реальном сигнале этих следов нет. Более того, результат ставит под сомнение и гипотезу о том, что первичные черные дыры помогли сформироваться удивительно массивным ранним галактикам, которые недавно обнаружил космический телескоп Джеймс Уэбб.

Сами авторы подчеркивают, что их работа не закрывает тему окончательно. Они рассматривали упрощенную картину, в которой все черные дыры имеют одинаковую массу, тогда как реальная популяция могла бы быть гораздо более разнообразной. Тем не менее полученные ограничения уже достаточно жесткие, чтобы существенно потеснить первичные черные дыры с позиции главного кандидата на роль темной материи.

Впереди новые эксперименты по изучению реликтового излучения, такие как LiteBIRD и обсерватория Саймонса, которые обещают еще сильнее сузить допустимые рамки. Дополнительно исследователи надеются распространить анализ на еще более тяжелые объекты, изучая гравитационные волны, испущенные при их рождении. Все это вместе постепенно приближает науку к разгадке того, из чего же на самом деле состоит невидимая масса Вселенной.

В итоге можно сказать, что невероятно большие первичные черные дыры, если они и существуют, не могут составлять сколько-нибудь заметную долю темной материи. Их случайное рассеяние неизбежно оставило бы слишком сильные неоднородности в распределении материи и излучения, которые противоречат данным о реликтовом излучении. Это не окончательный приговор гипотезе, но серьезный удар по ней и важный шаг к пониманию истинной природы темной материи.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях