|
Первичные черные дыры могут объяснить часть темной материи
|
|
|
|
Что такое темная материя? Этот вопрос занимает важное место в дискуссиях о природе Вселенной. Существует множество объяснений темной материи, как в рамках стандартной модели, так и за ее пределами. Одним из предполагаемых компонентов темной материи являются первичные черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной без коллапсирующей звезды в качестве прародительницы. Проблема темной материи - это проблема отсутствия массы. Галактики не должны держаться вместе в соответствии с их наблюдаемой массой. Их наблюдаемая масса состоит из звезд, газа, пыли и небольшого количества планет. Должна присутствовать какая-то другая форма массы, чтобы предотвратить существенное рассеяние галактик. Темная материя - это название-заполнитель для обозначения любой недостающей массы. Астроном Фриц Цвикки впервые использовал этот термин в 1933 году, когда наблюдал скопление Кома и обнаружил признаки недостающей массы. Около 90% скопления Комы состоит из недостающей массы, которую Цвикки назвал "материалом данкла".
|
|
|
|
Первичные черные дыры (PBH) - один из главных кандидатов на роль темной материи. На заре существования Вселенной скопления плотной субатомной материи могли образовываться естественным путем. Когда они стали достаточно плотными, они могли коллапсировать непосредственно в черные дыры. В отличие от своих астрофизических аналогов, у них не было звездных предшественников. Недавние наблюдения JWST и результаты LIGO/Virgo подтверждают идею о том, что PBH - это темная материя. Некоторые исследователи идут дальше и говорят, что эти данные подтверждают идею о том, что темная материя состоит исключительно из PBH и не имеет других компонентов. Новое исследование предполагает, что некоторые из ранних PBH могли бы слиться и что LIGO/Virgo могут обнаруживать гравитационные волны от слияний. Исследование называется "Ограничения на первичные черные дыры из событий LIGO-Virgo-KAGRA O3" и размещено на сервере препринтов arXiv. Ведущим автором является М. Андрес-Каркасона, аспирант Института физики высоких энергий Барселонского института науки и технологий.
|
|
|
В 2015 году LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые обнаружила слияние черных дыр. Тогда исследователи объявили об открытии нового окна во Вселенную. До этого астрономические наблюдения основывались на электромагнитном излучении, но LIGO/Virgo изменили это. Теперь Япония присоединилась к сотрудничеству LIGO/Virgo со своей гравитационно-волновой обсерваторией Karga, и международная программа называется LIGO/Virgo/Karga (LVK). Совместно три обсерватории собирают данные о гравитационных волнах. "В предыдущих работах изучалось использование данных GW для поиска прямых или косвенных свидетельств существования PBH", - пишут авторы. "Целенаправленные поиски компактных объектов субсолнечной массы, которые могли бы дать неопровержимый сигнал о существовании PBH, до сих пор не увенчались успехом". Авторы отмечают, что в нашем растущем массиве данных о ГВ могут содержаться признаки PBH, которые были упущены методами других исследователей.
|
|
|
|
Они пишут, что некоторые составляющие массы "... попадают в регионы, где астрофизические модели их не предсказывают, что потенциально может свидетельствовать о наличии популяции PBH", - пишут они. Функция массы PBH играет большую роль в формировании PBH. Их цель - обновить ограничения по массе для PBH в данных GW. "Одна из наших целей - вывести ограничения, которые не зависят существенно от базового сценария формирования. Таким образом, мы рассматриваем множество различных функций массы PBH", - объясняют они. Два основных сценария формирования, которые они упоминают, - это астрофизический и первичный. В рамках категории "первичные" существуют различные способы формирования PBH, и все они связаны с функцией массы. Авторы объясняют, что PBH могут объяснить всю совокупность темной материи, но только в том случае, если они находятся в диапазоне от 10-16 до 10-12 масс Солнца. "Более легкие PBH сегодня испаряются и могут составлять лишь небольшую часть DM", - пишут они.
|
|
|
|
Астрофизические BH образуют двойные системы и могут объединяться, испуская гравитационные волны. Если PBH объединятся, они также будут испускать гравитационные волны. Возможно, что некоторые из этих слияний стоят за некоторыми данными GW, обнаруженными LIGO/Virgo/Karga в ходе третьего цикла наблюдений. Исследователи представляют свои результаты в виде пессимистичного и оптимистичного вариантов. Пессимистический вариант говорит о том, что все наблюдения GW связаны со слияниями астрофизических черных дыр (ABH), в то время как оптимистический вариант предполагает, что некоторые из них связаны со слияниями PBH. Их исследование и его результаты включают в себя огромное количество сложных физических терминов и взаимосвязей. Но главный вопрос заключается в том, могут ли PBHs содержать темную материю, частично или полностью. В этом контексте, к чему сводятся результаты? Исследователи говорят, что в их анализе совокупности как астрофизических, так и первичных двойных систем PBH не могут полностью состоять из темной материи. В лучшем случае, они могут составлять небольшую ее часть.
|
|
|
|
"...в совокупности двойных систем, состоящих из первичных и астрофизических черных дыр, мы обнаруживаем, что в каждом сценарии PBH могут составлять не более 10-3% темной материи в диапазоне масс от 1 до 200 масс Солнца". fPBH представляет собой долю темной материи, которую может содержать PBH, 10-3 означает 0,001, а диапазон масс Солнца говорит сам за себя. Не нужно быть физиком, чтобы понять, о чем они говорят. Согласно их анализу, PBH могут составлять лишь крошечную долю темной материи. Возможно, это исследование не станет сенсацией. Это взгляд из глубины астрофизики и космологии, где команды исследователей упорно трудятся над постепенным ограничением и определением различных явлений. Но это не умаляет его значимости. В один прекрасный день может появиться заголовок, который будет кричать: "Физики идентифицировали Темную материю! Ответы на важнейшие вопросы Вселенной!" Если это когда-нибудь произойдет, за этим будут стоять сотни и тысячи исследований, подобных этому.
|
|
|
|
Источник
|
