В феврале 2016 года ученые, работающие в лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), вошли в историю, объявив о первом в истории обнаружении гравитационных волн. С того времени было проведено множество обнаружений, и научное сотрудничество между обсерваториями, такими как Advanced LIGO и Advanced Virgo, обеспечивает беспрецедентный уровень чувствительности и обмена данными.
Это событие не только подтвердило вековой прогноз, сделанный теорией общей теории относительности Эйнштейна, но и привело к революции в астрономии. Это также вселяло надежды некоторых ученых, которые полагали, что черные дыры могут составлять «недостающую массу» Вселенной. К сожалению, новое исследование, проведенное группой физиков из Калифорнийского университета в Беркли, показало, что черные дыры не являются долгожданным источником темной материи.
Их исследование «Ограничения на компактные объекты звездной массы как темная материя из гравитационного лицензирования сверхновых типа Ia» недавно появилось в Письма о физическом обзоре, Исследование было проведено Мигелем Зумалакаррегу, глобальным научным сотрудником Марии Кюри в Центре космологической физики в Беркли (BCCP), при поддержке Уроса Селяка - профессора космологии и со-директора BCCP.
Проще говоря, Dark Matter остается одной из самых неуловимых и неприятных загадок, стоящих сегодня перед астрономами. Несмотря на то, что он составляет 84,5% вещества во Вселенной, все попытки обнаружить его пока не увенчались успехом. Было предложено много кандидатов, начиная от сверхлегких частиц (аксионов) и заканчивая слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMPS) и массивными компактными объектами гало (MACHO).
Тем не менее, эти кандидаты располагаются по массе порядка 90, что несколько теоретиков пытались решить, предлагая, что может быть несколько типов темной материи. Однако это потребует различных объяснений их происхождения, что только усложнит космологические модели. Как объяснил Мигель Зумалакаррегуи в недавнем пресс-релизе Калифорнийского университета в Беркли:
«Я могу представить, что это два типа черных дыр, очень тяжелые и очень легкие, или черные дыры и новые частицы. Но в этом случае один из компонентов на несколько порядков тяжелее другого, и их необходимо производить в сопоставимом количестве. Мы бы пошли от чего-то астрофизического к чему-то по-настоящему микроскопическому, возможно, даже к самой легкой вещи во вселенной, и это было бы очень трудно объяснить ».
Ради их исследования команда провела статистический анализ 740 самых ярких обнаруженных сверхновых звезд (по состоянию на 2014 год), чтобы определить, была ли какая-либо из них увеличена или прояснена в результате присутствия черной дыры. Это явление, когда гравитационная сила большого объекта увеличивает свет, исходящий от более отдаленных объектов, известно как «гравитационное линзирование».
По сути, если бы черные дыры были доминирующей формой материи во Вселенной, то сверхновые с гравитационным увеличением возникали бы довольно часто из-за изначальных черных дыр. Считается, что эти гипотетические формы черной дыры сформировались в течение первых нескольких миллисекунд после Большого взрыва в частях Вселенной, где масса была сосредоточена в десятках или сотнях солнечных масс, в результате чего образовались самые ранние черные дыры.
Присутствие этой популяции черной дыры, как и любых массивных компактных объектов, гравитационно изгибало бы и увеличивало свет от отдаленных объектов на пути к Земле. Это было бы особенно верно для далеких сверхновых типа Ia, которые астрономы десятилетиями использовали в качестве стандартного источника яркости для измерения космических расстояний и скорости расширения Вселенной.
Однако после проведения комплексного статистического анализа данных о яркости и расстоянии 740 сверхновых звезд - 580 в каталогах Union и 740 в каталогах совместного анализа кривой блеска (JLA) - команда пришла к выводу, что восемь сверхновых звезд должны быть ярче на несколько десятых процента от того, что исторически наблюдалось. Однако такого осветления не было обнаружено, даже когда были учтены черные дыры с низкой массой.
«Вы не можете увидеть этот эффект на одной сверхновой, но когда вы сложите их все вместе и проведете полный байесовский анализ, вы начнете накладывать очень сильные ограничения на темную материю, потому что каждая сверхновая имеет значение, и у вас их так много», - сказал Зумалакаррегуи.
На основании своего анализа они пришли к выводу, что черные дыры могут составлять не более 40% темной материи во Вселенной. После включения 1048 более ярких сверхновых из каталога Пантеона (и на больших расстояниях) ограничения стали еще жестче. С этим вторым набором данных они получили еще более низкий верхний предел - 23% - чем в их первоначальном анализе.
Эти результаты предполагают, что ни одна из темной материи Вселенной не состоит из тяжелых черных дыр или каких-либо подобных массивных объектов, таких как MACHO. «Мы вернулись к стандартным дискуссиям», - сказал Селяк. «Что такое темная материя? Действительно, у нас заканчиваются хорошие варианты. Это вызов для будущих поколений ».
Это исследование было основано на более ранних исследованиях, проведенных Сельджаком в конце 1990-х годов, когда ученые рассматривали MACHO и другие массивные объекты в качестве возможного источника темной материи. Тем не менее, исследование было ограничено из-за того, что было обнаружено только небольшое количество отдаленных сверхновых типа Ia или их расстояния были измерены в то время.
Кроме того, вскоре после этого поиск Темной Материи сместился с крупных объектов на фундаментальные частицы (такие как WIMP). В результате планы последующего изучения не осуществились. Но благодаря наблюдениям гравитационных волн в ЛИГО, возможная связь между черными дырами и темной материей вновь возникла и вдохновила Селяка и Зумалакаррегуи на проведение их анализа.
«Что было интригующим, так это то, что массы черных дыр на мероприятии LIGO были именно там, где черные дыры еще не были исключены как темная материя», - сказал Селяк. «Это было интересное совпадение, которое всех взволновало. Но это было совпадение ».
Теория Темной Материи была официально принята в 1970-х годах, во время «Золотого века относительности», для объяснения расхождений между кажущейся массой объектов во Вселенной и их наблюдаемыми гравитационными эффектами. Похоже, что спустя полвека мы все еще пытаемся выследить эту таинственную, невидимую массу. Но с каждым исследованием на Темную Материю накладываются дополнительные ограничения, и возможные кандидаты устраняются.
Со временем мы могли бы просто открыть эту космологическую тайну и стать на шаг ближе к пониманию того, как Вселенная формировалась и развивалась.
