Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-18-4
Тусклые карликовые галактики ограничили массу первичных черных дыр в темной материи

Апрель 2018

Группа астрофизиков, включая ученого из России, смоделировала эволюцию ультратусклых карликовых галактик при условии, что окружающая их темная материя состоит из первичных черных дыр. Это позволило ограничить массу таких черных дыр диапазоном от 2 до 14 масс Солнца и подтвердить, что распределение темной материи в этом случае не противоречит наблюдаемым кривым вращения галактик. Статья опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Экспериментальных доказательств существования темной материи до сих пор не найдено. Одним из самых интересных кандидатов на роль темной материи служат первичные черные дыры (primordial black holes), возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, когда никаких звезд еще не было. Различные экспериментальные и теоретические исследования показали, что вклад в темную материю могут давать только черные дыры определенной массы, однако первичные черные дыры до сих пор не исключили.

Первичные черные дыры выгодно отличаются от остальных кандидатов на роль темной материи тем, что позволяют разрешить проблему каспо (cuspy halo problem). Она состоит в том, что компьютерные модели эволюции галактик обещают резкий рост плотности темной материи вблизи ее центра (острый пик, cusp), тогда как наблюдаемые в реальности кривые вращения указывают скорее на постоянное распределение (то есть ядро, core). Модели, где темная материя состоит из первичных черных дыр, таких пиков не дает. Кроме того, движение звезд внутри галактики, окруженной первичными черными дырами, немного отличается от движения звезд в других моделях темной материи. Считается, что наиболее заметны эти отличия будут в ультратусклых карликовых галактиках, имеющих светимость порядка тысячи светимостей Солнца.

Цижун Чжу (Qirong Zhu) из Гарвардского университета, Евгений Васильев из ФИАНа, а также Юэсин Ли (Yuexing Li) и Ипэн Цзин (Yipeng Jing) из университета Шанхая численно смоделировали эволюцию таких ультратусклых галактик в предположении, что окружающая их темная материя состоит из первичных черных дыр, и определили допустимые значения масс черных дыр.

Оказалось, что изначально острый пик распределения массы темной материи сравнительно быстро (в течение 0,1 миллиарда лет) сглаживается из-за взаимодействия черных дыр, и около центра галактики плотность темной материи выходит на постоянный уровень. Конечная плотность темной материи в центральном ядре составляет около одной-двух масс солнца на кубический парсек, в то время как плотность обычного барионного вещества примерно на два порядка меньше. При этом суммарной массы темной материи едва хватает, чтобы ультратусклая галактика начала формироваться. Из расчетов следует, что масса первичных черных дыр, составляющих темную материю лежит в диапазоне от 2 до 14 масс Солнца, что совпадает с другими теоретическими оценками.

_{nplus1.ru, 23 апреля 2018 Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/04/23/PBH-DM}

_{Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2018}

_{Цижун Чжу (Qirong Zhu) из Гарвардского университета, Евгений Васильев из ФИАНа, а также Юэсин Ли (Yuexing Li) и Ипэн Цзин (Yipeng Jing) из университета Шанхая}

_{https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/476/1/2/4797182?redirectedFrom=fulltext}

_{https://arxiv.org/abs/1710.05032}