Сверхновые ограничили вклад черных дыр в темную материю

Фотография облака G299.2-2.9, оставшегося после взрыва сверхновой типа Ia

X-ray: NASA/CXC/U.Texas/S. Park et al, ROSAT; Infrared: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

Два американских физика показали, что массивные черные дыры могут обеспечить не более 35 процентов массы темной материи. К такому выводу ученые пришли после анализа 1300 вспышек сверхновых типа Ia, в результате которого они не нашли ни одного отклонения, указывающего на микролинзирование на черной дыре. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Расчеты космологов, подкрепленные измерениями спутников «Планк» и WMAP, показывают, что темная материя обеспечивает около 20 процентов массы наблюдаемой Вселенной (и 85 процентов массы материи). Кроме того, темная материя позволяет объяснить кривые вращения галактик и гравитационное линзирование на скоплениях галактик, а потому ученые не сомневаются в ее реальности. К сожалению, физики до сих пор не могут понять, из чего состоит темная материя. Долгое время считалось, что она состоит из массивных слабо взаимодействующих частиц (вимпов), однако эта модель так и не нашла экспериментального подтверждения. Последние измерения детекторов темной материи ограничивают сечение взаимодействия нуклонов и вимпов с массами от 6 до 200 гигаэлектронвольт величиной порядка 10−47 квадратных сантиметров, что практически исключает эти частицы. Поэтому физики все чаще обращаются к альтернативным моделям, в которых темная материя имеет совершенно другую природу.

Черные дыры являются одним из самых интересных «альтернативных» кандидатов на роль темной материи, поскольку они не требуют привлекать «новую физику» и искать новые частицы с помощью дорогостоящих детекторов. В самом деле, черные дыры обладают двумя основными свойствами темной материи: они невидимы в оптическом диапазоне, но могут взаимодействовать с веществом с помощью гравитации. Существует несколько теоретических моделей, которые предсказывают, что на ранних этапах жизни Вселенной (еще до того, как в ней появились звезды) активно формировались первичные черные дыры, суммарная масса которых совпадала с массой темной материи. Подробнее про первичные черные дыры можно прочитать в интервью с физиком-теоретиком Бернардом Карром.

К сожалению, эти модели не накладывают практически никаких ограничений на массу первичных черных дыр, позволяя ей меняться от 10−5 до 1035 грамм. Тем не менее, эти ограничения можно вывести другими способами. Во-первых, черные дыры постепенно теряют массу за счет излучения Хокинга, причем мощность излучения тем выше, чем меньше масса дыры. Следовательно, самые маленькие черные дыры, масса которых не превышает 1015 грамм (10−18 масс Солнца), к настоящему моменту уже должны были испариться, а потому не могут давать вклад в массу темной материи.

Во-вторых, массивная черная дыра искажает лучи света, которые проходят в ее окрестности, и кратковременно усиливает яркость объектов, на фоне которых она проходит — этот эффект называется гравитационным микролинзированием. Следовательно, массу темной материи из черных дыр можно оценить, отслеживая кратковременное увеличение яркости звезд из соседних галактик. Такие измерения, выполненные для звезд Большого Магелланова Облака, запретили первичным черным дырам иметь массу в диапазоне от 10−8 до 10 масс Солнца [1,2]. Тем не менее, оставшиеся диапазоны масс остались открытыми. Более того, гравитационная обсерватория LIGO регулярно регистрирует гравитационные волны, которые рождаются при слиянии черных дыр массой более 10 масс Солнца — такие события происходили 14 сентября и 26 декабря 2015, 4 января и 14 августа 2017. Ученые предполагают, что эти гравитационные волны подтверждают модели первичных черных дыр.

Физики Мигель Цумалакрареги (Miguel Zumalacárregui) и Урош Селяк (Uroš Seljak) использовали технику микролинзирования, чтобы ограничить не только массы отдельных черных дыр, но и их суммарный вклад в массу темной материи. Для этого ученые отслеживали, как черные дыры усиливают вспышки стандартных свеч — сверхновых звезд типа Ia. Максимальная яркость всех таких вспышек практически одинакова, поскольку масса белых карликов, которые могут взорваться в результате аккреции вещества, довольно строго ограничена. Кроме того, сверхновые типа Ia имеют одинаковую кривую блеска, то есть их яркость одинаково меняется со временем. Это позволяет оценивать расстояние до сверхновых звезд, связывая их видимую яркость и кривую блеска. Цумалакрареги и Селяк предложили искать нестандартно яркие сверхновые, которые отклоняются от этих зависимостей. По величине и частоте таких отклонений можно было бы оценить концентрацию черных дыр различной массы и определить их вклад в массу темной материи.

Для этого ученые проанализировали более 1300 сверхновых типа Ia и рассчитали функцию плотности вероятности (probability density function, PDF) в зависимости от наблюдаемого усиления яркости звезд. Затем физики использовали Байесовское иерархическое моделирование (Bayesian hierarchical modeling), чтобы выполнить анализ совместного правдоподобия (Joint Likelihood Analysis, JLA) построенного распределения и теоретического предсказания. В результате ученые не обнаружили ни одного отклонения, которое отвечает микролинзированию на черной дыре с массой более 0,01 массы Солнца (чем меньше масса, тем слабее дыра усиливает свет, а потому исключить легкие дыры нельзя). Также исследователи рассчитали максимальный вклад черных дыр с массой более 0,01 массы Солнца в массу темной материи, который составил примерно 35 процентов.

Таким образом, физики показали, что массивные черные дыры не могут полностью обеспечить наблюдаемую массу темной материи. Впрочем, диапазон масс порядка 1023 грамм, сравнимых с массой Луны или небольших планет, все еще остается открытым. Следовательно, ученым придется проверить этот диапазон — либо сосредоточиться на других моделях темной материи.

В марте этого года ученые из Испании и Швейцарии обнаружили, что инфляция Хиггса могла создать достаточно много массивных первичных черных дыр, чтобы с их помощью можно было объяснить наблюдаемую массу темной материи. К сожалению, впоследствии физик-теоретик Изабелла Массина показала, что этот процесс не мог реализоваться на практике, поскольку для него требуются значения фундаментальных констант, отличные от значений, измеренных в эксперименте. Для этого исследовательница уточнила форму электрослабого потенциала, учитывая петлевые поправки к электрослабому потенциалу, и учла ее при рассмотрении инфляции Хиггса.

В апреле прошлого года группа астрофизиком под руководством Ипэн Цзина (Yipeng Jing) 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. Тем не менее, ученые не смогли подсчитать суммарную массу черных дыр, чтобы определить их вклад в массу темной материи. Кроме того, не совсем понятно, как нужно интерпретировать их результат в свете открытия Цумалакрареги и Селяк, которое напрямую запрещает этот диапазон.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.