Тусклые карликовые галактики ограничили массу первичных черных дыр в темной материи

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.

Концепция темной материи играет важную роль в современной астрофизике и космологии — она позволяет сравнительно легко объяснить кривые вращения галактик, гравитационное линзирование и наблюдаемый темп расширения Вселенной, оставаясь при этом самодостаточной теорией, которая не требует подбора множества численных коэффициентов. Последние измерения спутника Planck показали, что темной материи в нашей Вселенной примерно в пять раз больше, чем "обычной" -  барионной, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Но прямых экспериментальных доказательств существования темной материи — например, рассеяния составляющих ее частиц на частицах Стандартной модели — до сих пор найдено не было. Пока физикам приходится ограничиваться непрямыми свидетельствами гравитационного взаимодействия темной и обычной материи и совершенствовать детекторы.

Отсутствие прямых доказательств привело к тому, что в данный момент на роль гипотетических частиц темной материи претендует сразу несколько кандидатов. В качестве таких кандидатов в различных теориях выступают вимпы, аксионы, стерильные нейтрино, различные суперсимметричные частицы, а также более экзотические варианты. В частности, одним из самых интересных кандидатов на роль темной материи служат первичные черные дыры (primordial black holes) — дыры, которые образовались не по стандартному сценарию, включающему в себя коллапс звезды, но 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 до сих пор такие исследования не исключили первичные черные дыры полностью. Открытыми еще остаются диапазоны масс около 5×10⁻¹⁶M_S, 2×10⁻¹⁴M_S и 25—100M_S, где M_S — это масса солнца.

Первичные черные дыры выгодно отличаются от остальных кандидатов на роль темной материи тем, что позволяют разрешить так называемую «проблему острого гало» (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 (по меркам галактик это невероятно мало).

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, а затем определили на основании проделанных вычислений и существующих экспериментальных данных допустимые значения масс черных дыр.

Для этого ученые совместили метод Монте-Карло с марковскими цепями (Markov chain Monte Carlo modelling) и симуляции с использованием уравнения Фоккера-Планка. Другими словами, они задавали произвольные случайные значения параметров первичных черных дыр и распределения массы в галактике, потом рассчитывали с помощью программы PHASEFLOW конечные значения и сравнивали их с экспериментальными данными. Это позволило найти распределение вероятностей для параметров модели. Поскольку программа PHASEFLOW, разработанная Евгением Васильевым, была очень хорошо оптимизирована, вычисление для каждой конкретной модели занимали всего несколько секунд, и это позволило ученым проверить широкий диапазон значений параметров с маленьким шагом.

В результате оказалось, что даже 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-едва хватает, чтобы ультратусклая галактика начала формироваться.

Кроме того, скорость прироста звезд в центральном участка галактики из-за гравитационного взаимодействия с черными дырами немного меньше, чем в случае обычной темной материи: радиус этого участка оказывается пропорционален t^0,4 против t^0,5, где t — возраст галактики. Наконец, из расчетов ученых следует, что масса первичных черных дыр, составляющих темную материю, скорее всего, лежит в диапазоне от 2 до 14 масс Солнца. Это совпадает с другими теоретическими оценками.

В конце прошлого месяца физики-теоретики из Испании и Швейцарии показали, что характерная форма потенциала Хиггса, благодаря которой элементарные частицы приобретают свою массу, может быть ответственна за рождение первичных черных дыр сразу после окончания инфляции. Изначально масса таких дыр будет составлять всего 10⁻¹⁵ масс Солнца, однако в дальнейшем они будут сливаться друг с другом, приближаясь к текущим экспериментальным оценкам. Из расчетов ученых следует, что вклад первичных черных дыр в массу темной материи может достигать практически 100 процентов.

В декабре 2017 года двое физиков из Гарварда показали, что черные дыры не могли формироваться по классическому сценарию раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z ~ 40). Следовательно, если мы поймаем гравитационные волны с красным смещением более z > 40, это будет практически однозначным свидетельством в пользу черных дыр. При текущем уровне техники зарегистрировать такие волны невозможно, однако для более совершенных детекторов, например, LISA или Cosmic Explorer, эта задача будет вполне по силам.

Дмитрий Трунин