Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-18-5
Астрономы отвергли связь черных дыр и темной материи

Октябрь 2018

Одна из моделей связывает темную материю с гравитацией незаметных для нас черных дыр, но наблюдения далеких сверхновых позволяют усомниться в этой гипотезе. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Расчеты показывают, что львиная масса Вселенной приходится на невидимую темную материю, однако природа ее остается загадкой. Теоретические модели порой дают противоположные описания: одни говорят, что темная материя состоит из невероятно легких и слабовзаимодействующих частиц аксионов; другие связывают ее с массивными объектами звездных и галактических масштабов, которые состоят из обычных частиц барионной материи.

Одними из главных кандидатов в такие МАСНО (Massive Astrophysical Compact Halo Object, «Массивный астрофизический компактный объект гало») выступают первичные черные дыры, образовавшиеся в молодой и сверхплотной Вселенной еще до появления звезд. Массивные и плотные, в соответствии с Общей теорией относительности, эти черные дыры должны создавать деформации пространства-времени. И если свет от далекого и достаточно мощного источника проходит в окрестностях такой гравитационной линзы, он будет деформироваться и усиливаться.

Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли Мигель Зумалакареджи (Miguel Zumalacárregui) и Урош Селяк (Uroš Seljak) рассмотрели, насколько часто гравитационные линзы искажают и усиливают свет далеких сверхновых, чтобы дать верхнюю оценку количества невидимых нам черных дыр и их возможного вклада в темную материю.

Изучение данных по 740 ярчайшим сверхновым показало, что даже если черные дыры действительно вносят вклад в феномены, которые связывают с темной материей, то составляет он не более 40 процентов. По словам авторов, у них на руках уже есть и пока еще не опубликованные результаты более полного анализа, который охватил более 1000 сверхновых и заставляет еще более понизить эту цифру — максимум до 23 процентов.

«Что такое темная материя? Похоже, хорошие варианты у нас закончились, — говорит профессор Урог Селяк. — Это задача для следующих поколений».

_{Naked Science, 3 октября 2018}

_{https://naked-science.ru/article/sci/astronomy-otvergli-svyaz-chernyh-dyr-i}

_{Журнал Physical Review Letters. 2018}

_{Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли Мигель Зумалакареджи (Miguel Zumalacárregui) и Урош Селяк (Uroš Seljak)}

_{https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.141101}

Глава 11-18-6
Темной материи запретили состоять из черных дыр с массой Луны

Апрель 2019

Низкая вероятность линзирования звезд позволила установить самые строгие ограничения на долю первичных черных дыр с массами порядка лунной. Результаты наблюдений десятков миллионов светил в Туманности Андромеды показывают, что доля таких тел в темной материи составляет не более процента. Тем не менее, еще более легкие первичные черные дыры могут составлять существенную часть темной материи, их вклад пока не удалось ограничить. Статья опубликована в журнале Nature Astronomy.

Большинство теорий с наиболее массивными «частицами» темной материи предлагают на их роль первичные черные дыры (ПЧД) — образовавшиеся в ранней Вселенной тела, не являющиеся продуктом эволюции звезд, что отличает их от обычных черных дыр. Идеи об их существовании были предложены еще в 1960-х, но с открытием гравитационных волн ПЧД стали намного популярнее, так как массы сливающихся объектов оказались достаточно велики, а сценарии звездной эволюции предсказывают в большинстве случаев более легкие тела. Существуют различные способы ограничить существование ПЧД. В частности, объекты легче 10¹⁵ грамм (10^-18 масс Солнца) должны были испариться за счет излучения Хокинга за время существования Вселенной, а тяжелее 10³⁵ грамм (100 масс Солнца) приводили бы к слишком сильному искажению реликтового излучения, чего не наблюдается в реальности.

В работе международного коллектива астрофизиков из Японии, США и Индии использован метод гравитационного микролинзирования для оценок количества ПЧД в гало Млечного Пути и Туманности Андромеды. Для этого ученые в течение семи часов подряд одновременно наблюдали несколько десятков миллионов звезд Туманности Андромеды при помощи 900-мегапиксельной камеры Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru с диаметром главного зеркала в 8,2 метра. Авторов данного исследования интересовали события микролинзирования, при которых массивный объект проходит близко к линии, соединяющей наблюдателя и звезду, из-за чего яркость последней на короткое время заметно изменяется.

Если бы ПЧД с массами, достаточными для оказания заметного гравитационного влияния на прохождение света, составляли заметную долю темной материи, то в результате подобного наблюдения ученые зафиксировали бы множество событий микролинзирования. Однако в реальности им удалось заметить только один подобный случай, что позволяет установить сильные ограничения на вклад ПЧД в массами от 10^-11 до 10^-6 солнечных (от 0,001 до 100 масс Луны): их доля составляет не более одного процента.

Однако результаты данной работы не исключают возможности существенного вклада ПЧД в темную материю, вплоть до 100 процентов для достаточно узкого диапазона еще меньших масс. Также стоит отметить, что все реалистичные спектры масс черных дыр не монохроматичны, то есть предполагают существование объектов разных масс. Тем не менее, все они должны соответствовать строгим ограничениям данной работы. Также авторы отмечают, что наблюдения Туманности Андромеды являются наилучшим способом установления подобных ограничений.

_{nplus1.ru, 2 апреля 2019, Тимур Кешелава}

_{https://nplus1.ru/news/2019/04/02/primordial-black-holes-dark-matter}

_{Журнал Nature Astronomy}

_{https://www.nature.com/articles/s41550-019-0723-1}