Два американські фізики показали, що масивні чорні діри можуть забезпечити не більше 35 відсотків маси темної матерії. До такого висновку вчені прийшли після аналізу 1300 спалахів наднових типу Ia, в результаті якого вони не знайшли жодного відхилення, що вказує на мікролінзування на чорній дірі. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Розрахунки космологів, підкріплені вимірюваннями супутників «Планк» і WMAP, показують, що темна матерія забезпечує близько 20 відсотків маси спостережуваного Всесвіту (і 85 відсотків маси матерії). Крім того, темна матерія дозволяє пояснити криві обертання галактик і гравітаційне лінзування на скупченнях галактик, а тому вчені не сумніваються в її реальності. На жаль, фізики досі не можуть зрозуміти, з чого складається темна матерія. Довгий час вважалося, що вона складається з масивних слабо взаємодіючих частинок (вімпів), проте ця модель так і не знайшла експериментального підтвердження. Останні вимірювання детекторів темної матерії обмежують перетин взаємодії нуклонів і вімпів з масами від 6 до 200 гігаелектронвольт величиною близько 10 − 47 квадратних сантиметрів, що практично виключає ці частинки. Тому фізики все частіше звертаються до альтернативних моделей, в яких темна матерія має зовсім іншу природу.
Чорні діри є одним з найцікавіших «альтернативних» кандидатів на роль темної матерії, оскільки вони не вимагають залучати «нову фізику» і шукати нові частинки за допомогою дорогих детекторів. Насправді, чорні діри мають дві основні властивості темної матерії: вони невидимі в оптичному діапазоні, але можуть взаємодіяти з речовиною за допомогою гравітації. Існує кілька теоретичних моделей, які пророкують, що на ранніх етапах життя Всесвіту (ще до того, як у ньому з'явилися зірки) активно формувалися первинні чорні діри, сумарна маса яких збігалася з масою темної матерії. Детальніше про первинні чорні діри можна прочитати в інтерв'ю з фізиком-теоретиком Бернардом Карром.
На жаль, ці моделі не накладають практично ніяких обмежень на масу первинних чорних дір, дозволяючи їй змінюватися від 10 − 5 до 1035 грам. Тим не менш, ці обмеження можна вивести іншими способами. По-перше, чорні діри поступово втрачають масу за рахунок випромінювання Гокінга, причому потужність випромінювання тим вища, чим менше маса діри. Отже, найменші чорні діри, маса яких не перевищує 1015 грам (10 − 18 мас Сонця), до теперішнього моменту вже повинні були випаруватися, а тому не можуть давати внесок у масу темної матерії.
По-друге, масивна чорна діра спотворює промені світла, які проходять в її околиці, і короткочасно підсилює яскравість об'єктів, на тлі яких вона проходить - цей ефект називається гравітаційним мікролінзуванням. Отже, масу темної матерії з чорних дір можна оцінити, відстежуючи короткочасне збільшення яскравості зірок із сусідніх галактик. Такі вимірювання, виконані для зірок Великого Магелланова Хмари, заборонили первинним чорним дірам мати масу в діапазоні від 10 − 8 до 10 мас Сонця [1,2]. Тим не менш, решта діапазонів мас залишилися відкритими. Більш того, гравітаційна обсерваторія LIGO регулярно реєструє гравітаційні хвилі, які народжуються при злитті чорних дір масою понад 10 мас Сонця - такі події відбувалися 14 вересня і 26 грудня 2015, 4 січня і 14 серпня 2017. Вчені припускають, що ці гравітаційні хвилі підтверджують моделі первинних чорних дір.
Фізики Мігель Цумалакрагі (Miguel Zumalacárregui) і Урош Селяк (Uro^ Seljak) використовували техніку мікролінзування, щоб обмежити не тільки маси окремих чорних дір, але і їх сумарний внесок у масу темної матерії. Для цього вчені відстежували, як чорні діри посилюють спалахи стандартних звічок - наднових зірок типу Ia. Максимальна яскравість всіх таких спалахів практично однакова, оскільки маса білих карликів, які можуть вибухнути в результаті акреції речовини, досить суворо обмежена. Крім того, наднові типи Ia мають однакову криву блиску, тобто їх яскравість однаково змінюється з часом. Це дозволяє оцінювати відстань до наднових зірок, пов'язуючи їх видиму яскравість і криву блиску. Цумалакрагі і Селяк запропонували шукати нестандартно яскраві наднові, які відхиляються від цих залежностей. За величиною і частотою таких відхилень можна було б оцінити концентрацію чорних дір різної маси і визначити їх внесок у масу темної матерії.
Для цього вчені проаналізували понад 1300 наднових типу Ia і розрахували функцію щільності ймовірності (probability density function, PDF) залежно від спостережуваного посилення яскравості зірок. Потім фізики використовували Байєсівське ієрархічне моделювання (Bayesian hierarchical modeling), щоб виконати аналіз спільного правдоподібності (Joint Likelihood Analysis, JLA) побудованого розподілу і теоретичного передбачення. У результаті вчені не виявили жодного відхилення, яке відповідає мікролінзуванню на чорній дірі з масою понад 0,01 маси Сонця (чим менше маса, тим слабша діра підсилює світло, а тому виключити легкі діри не можна). Також дослідники розрахували максимальний внесок чорних дір з масою понад 0,01 маси Сонця в масу темної матерії, який склав приблизно 35 відсотків.
Таким чином, фізики показали, що масивні чорні діри не можуть повністю забезпечити спостережувану масу темної матерії. Втім, діапазон мас близько 1023 грам, порівнянних з масою Місяця або невеликих планет, все ще залишається відкритим. Отже, вченим доведеться перевірити цей діапазон - або зосередитися на інших моделях темної матерії.
У березні цього року вчені з Іспанії та Швейцарії виявили, що інфляція Хіггса могла створити досить багато масивних первинних чорних дір, щоб з їх допомогою можна було пояснити спостережувану масу темної матерії. На жаль, згодом фізик-теоретик Ізабелла Массіна показала, що цей процес не міг реалізуватися на практиці, оскільки для нього потрібні значення фундаментальних констант, відмінні від значень, вимірених в експерименті. Для цього дослідниця уточнила форму електрослабого потенціалу, враховуючи петлеві поправки до електрослабого потенціалу, і врахувала її при розгляді інфляції Хіггса.
У квітні минулого року група астрофізиком під керівництвом Іпен Цзіна (Yipeng Jing) змоделювала еволюцію ультратусклих карликових галактик за умови, що навколишня їхня темна матерія складається з первинних чорних дір - це дозволило обмежити масу таких чорних дір діапазоном від 2 до 14 мас Сонця. Проте, вчені не змогли підрахувати сумарну масу чорних дір, щоб визначити їх внесок у масу темної матерії. Крім того, не зовсім зрозуміло, як потрібно інтерпретувати їх результат у світлі відкриття Цумалакраги і Селяк, яке безпосередньо забороняє цей діапазон.