|
Черные дыры помогут обьяснить темную материю
|
|
|
|
Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo обнаружили скопление массивных черных дыр, происхождение которых является одной из самых больших загадок в современной астрономии. Согласно одной из гипотез, эти объекты, возможно, сформировались в самой ранней Вселенной и могут включать в себя темную материю, таинственную субстанцию, заполняющую Вселенную. Команда ученых из исследования OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment - Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию) Астрономической обсерватории Варшавского университета объявила о результатах почти 20-летних наблюдений, свидетельствующих о том, что такие массивные черные дыры могут содержать не более нескольких процентов темной материи. Поэтому для источников гравитационных волн необходимо другое объяснение. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature и в серии дополнений к Astrophysical Journal.
|
|
|
|
Различные астрономические наблюдения показывают, что обычная материя, которую мы можем видеть или осязать, составляет лишь 5% от общей массы и энергетического баланса Вселенной. В Млечном Пути на каждый 1 кг обычного вещества в звездах приходится 15 кг темной материи, которая не излучает никакого света и взаимодействует только посредством своего гравитационного притяжения. "Природа темной материи остается загадкой. Большинство ученых считают, что она состоит из неизвестных элементарных частиц", - говорит доктор Пшемек Оз из Астрономической обсерватории Варшавского университета, ведущий автор обеих статей. "К сожалению, несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент (включая эксперименты, проведенные на Большом адронном коллайдере) не выявил новых частиц, которые могли бы быть ответственны за темную материю". С момента первого обнаружения гравитационных волн от сливающейся пары черных дыр в 2015 году эксперименты LIGO и Virgo зафиксировали более 90 таких событий. Астрономы заметили, что черные дыры, обнаруженные LIGO и Virgo, как правило, значительно массивнее (20-100 солнечных масс), чем те, которые были известны ранее в Млечном Пути (5-20 солнечных масс).
|
|
|
"Объяснение того, почему эти две группы черных дыр так сильно отличаются друг от друга, является одной из самых больших загадок современной астрономии", - говорит доктор мистер Оз. Одно из возможных объяснений заключается в том, что детекторы LIGO и Virgo обнаружили скопление первичных черных дыр, которые, возможно, образовались в очень ранней Вселенной. Предположение об их существовании было впервые высказано более 50 лет назад британским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом и независимо от него советским физиком Яковом Зельдовичем."Мы знаем, что ранняя Вселенная не была идеально однородной — небольшие колебания плотности привели к возникновению современных галактик и скоплений галактик, - говорит доктор г-н Оз. - Подобные колебания плотности, если они превышают критический контраст плотности, могут коллапсировать и образовывать черные дыры". С момента первого обнаружения гравитационных волн все больше и больше ученых высказывали предположения о том, что такие первичные черные дыры могут содержать значительную часть, если не всю, темной материи.
|
|
|
|
К счастью, эту гипотезу можно подтвердить с помощью астрономических наблюдений. Мы наблюдаем, что в Млечном Пути существует огромное количество темной материи. Если бы Млечный Путь состоял из черных дыр, мы могли бы обнаружить их в окрестностях нашего космического пространства. Возможно ли это, учитывая, что черные дыры не излучают никакого заметного света? Согласно общей теории относительности Эйнштейна, свет может искривляться и отклоняться в гравитационном поле массивных объектов - явление, называемое гравитационным микролинзированием. "Микролинзирование происходит, когда три объекта—наблюдателя на Земле, источник света и объектив—практически идеально выровнять в космосе", - говорит профессор. Анджей Udalski, главный исследователь исследования, строить глазки. "Во время процесса микролинзирования свет от источника может отклоняться и усиливаться, и мы наблюдаем временное повышение яркости света от источника". Продолжительность яркости зависит от массы линзирующего объекта: чем больше масса, тем дольше длится явление. Микролинзирование объектов солнечной массы обычно длится несколько недель, в то время как микролинзирование черных дыр, которые в 100 раз массивнее Солнца, длится несколько лет.
|
|
|
|
Идея использования гравитационного микролинзирования для изучения темной материи не нова. Впервые она была предложена в 1980-х годах польским астрофизиком Богданом Пачиньским. Его идея вдохновила на проведение трех крупных экспериментов: польского OGLE, американского MACHO и французского EROS. Первые результаты этих экспериментов показали, что черные дыры массой менее одной солнечной массы могут содержать менее 10% темной материи. Однако эти наблюдения не были чувствительны к чрезвычайно длительным событиям микролинзирования и, следовательно, не были чувствительны к массивным черным дырам, подобным тем, которые недавно были обнаружены с помощью детекторов гравитационных волн. В новой статье из серии дополнений к Astrophysical Journal астрономы OGLE представляют результаты почти 20-летнего фотометрического мониторинга почти 80 миллионов звезд, расположенных в соседней галактике, называемой Большим Магеллановым облаком, и результаты поиска событий гравитационного микролинзирования. Проанализированные данные были собраны в ходе третьего и четвертого этапов проекта OGLE с 2001 по 2020 год.
|
|
|
|
"Этот набор данных обеспечивает самые продолжительные, масштабные и точные фотометрические наблюдения звезд в Большом Магеллановом облаке за всю историю современной астрономии", - говорит профессор. Удальски. Во второй статье, опубликованной в журнале Nature, обсуждаются астрофизические последствия полученных результатов. "Если бы вся темная материя в Млечном Пути состояла из черных дыр массой 10 масс Солнца, мы должны были бы обнаружить 258 случаев микролинзирования", - говорит доктор г-н Оз. "На 100 черных дыр массой Солнца мы ожидали 99 случаев микролинзирования. На 1000 черных дыр солнечной массы приходится 27 событий микролинзирования." В отличие от этого, астрономы OGLE обнаружили только 13 случаев микролинзирования. Их детальный анализ показывает, что все они могут быть объяснены известными звездными популяциями в Млечном Пути или самим Большим Магеллановым облаком, а не черными дырами. "Это указывает на то, что массивные черные дыры могут составлять не более нескольких процентов темной материи", - говорит доктор мистер Оз.
|
|
|
|
Подробные расчеты показывают, что черные дыры массой 10 солнечных масс могут содержать не более 1,2% темной материи, 100 черных дыр массой Солнца — 3,0% темной материи, а 1000 черных дыр массой Солнца — 11% темной материи. "Наши наблюдения показывают, что первичные черные дыры не могут составлять значительную долю темной материи, и одновременно объясняют наблюдаемые скорости слияния черных дыр, измеренные LIGO и Virgo", - говорит профессор. Удальски. Поэтому массивным черным дырам, обнаруженным LIGO и Virgo, необходимы другие объяснения. Согласно одной из гипотез, они образовались в результате эволюции массивных звезд с низкой металличностью. Другая возможность заключается в слиянии менее массивных объектов в плотных звездных средах, таких как шаровые скопления. "Наши результаты останутся в учебниках астрономии на десятилетия вперед", - добавляет профессор. Удальски.
|
|
|
|
Источник
|
