Темной материи запретили состоять из черных дыр с массой Луны

Низкая вероятность линзирования звезд позволила установить самые строгие ограничения на долю первичных черных дыр с массами порядка лунной. Результаты наблюдений десятков миллионов светил в Туманности Андромеды показывают, что доля таких тел в темной материи составляет не более процента. Тем не менее, еще более легкие первичные черные дыры могут составлять существенную часть темной материи, их вклад пока не удалось ограничить. Описание эксперимента опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Темной материей собирательно называют группу отдельных несостыковок современной теоретической астрофизики с наблюдениями. Например, теория предсказывает спадание скорости обращения звезд по мере удаления от центра галактик, но в большинстве случаев этого не наблюдается. Также темная материя должна отвечать за динамическую устойчивость скоплений галактик, параметры гравитационного линзирования, быстрый рост неоднородностей в ранней Вселенной, форму спектра мощности реликтового излучения и некоторые другие явления.

Природа темной материи остается предметом исследований, но большинство предложенных теорий рассматривают ее в виде новой субстанции, которая не взаимодействует посредством электромагнетизма и поэтому не может быть зафиксирована обычными телескопами. Тем не менее, в рамках этой концепции также существует огромное разнообразие вариантов. В частности, неизвестна масса частиц темной материи: высказанные гипотезы рассматривают любые возможности от сверхлегких частиц «размытой» темной материи до объектов с массами в десятки солнечных.

Большинство теорий с наиболее массивными «частицами» темной материи предлагают на их роль первичные черные дыры (ПЧД) — образовавшиеся в ранней Вселенной тела, не являющиеся продуктом эволюции звезд, что отличает их от обычных черных дыр. Идеи об их существовании были предложены еще в 1960-х, но с открытием гравитационных волн ПЧД стали намного популярнее, так как массы сливающихся объектов оказались достаточно велики, а сценарии звездной эволюции предсказывают в большинстве случаев более легкие тела. Существуют различные способы ограничить существование ПЧД. В частности, объекты легче 10¹⁵ грамм (10^-18 масс Солнца) должны были испариться за счет излучения Хокинга за время существования Вселенной, а тяжелее 10³⁵ грамм (100 масс Солнца) приводили бы к слишком сильному искажению реликтового излучения, чего не наблюдается в реальности.

В работе международного коллектива астрофизиков из Японии, США и Индии использован метод гравитационного микролинзирования для оценок количества ПЧД в гало Млечного Пути и Туманности Андромеды. Для этого ученые в течение семи часов подряд одновременно наблюдали несколько десятков миллионов звезд Туманности Андромеды при помощи 900-мегапиксельной камеры Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru с диаметром главного зеркала в 8,2 метра. Этот прибор обладает очень большим полем зрения в 1,5 градуса и позволяет сразу наблюдать практически всю ближайшую крупную галактику. Авторов данного исследования интересовали события микролинзирования, при которых массивный объект проходит близко к линии, соединяющей наблюдателя и звезду, из-за чего яркость последней на короткое время заметно изменяется.

Если бы ПЧД с массами, достаточными для оказания заметного гравитационного влияния на прохождение света, составляли заметную долю темной материи, то в результате подобного наблюдения ученые зафиксировали бы множество событий микролинзирования. Однако в реальности им удалось заметить только один подобный случай, что позволяет установить сильные ограничения на вклад ПЧД в массами от 10^-11 до 10^-6 солнечных (от 0,001 до 100 масс Луны): их доля составляет не более одного процента.

Однако результаты данной работы не исключают возможности существенного вклада ПЧД в темную материю, вплоть до 100 процентов для достаточно узкого диапазона еще меньших масс. Также стоит отметить, что все реалистичные спектры масс черных дыр не монохроматичны, то есть предполагают существование объектов разных масс. Тем не менее, все они должны соответствовать строгим ограничениям данной работы. Также авторы отмечают, что наблюдения Туманности Андромеды являются наилучшим способом установления подобных ограничений. Наблюдения еще в течение 10 ночей позволят улучшить данные оценки еще в 10 раз, а даже кратковременные наблюдения в течение десяти минут раз в несколько месяцев на протяжении лет позволят ограничить ПЧД с массами до десятков солнечных.

О важности теории темной материи мы беседовали с астрофизиком Андеем Дорошкевичем в материале «Невидимый цемент Вселенной». Даже если черные дыры сами не отвечают за темную материю, они все равно могут помочь ее найти. В частности, их гравитационное излучение может выдать ультралегкие частицы темной материи.