Фотография тени черной дыры ограничила массу темной материи

Физики из США исключили легкие аксионы с массами порядка 10⁻²¹ электронвольт, рассматривая сверхизлучение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, которую недавно сфотографировал Телескоп горизонта событий. Исключенная область вплотную прилегает к области масс, запрещенной колебаниями плотности межзвездной среды и возможностью формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org.

Темная материя составляет около 85 процентов материи Вселенной и около 25 процентов ее плотности, однако ученые до сих пор не знают, из чего она состоит. Большинство физиков считает, что темная материя очень слабо, но взаимодействует с обычным веществом — если бы это было не так, темная материя не могла бы родиться в молодой и горячей Вселенной. Следовательно, частицы темной материи теоретически можно зарегистрировать в наземных экспериментах, долго просматривающих достаточно большие объемы вещества. К сожалению, за тридцать лет поисков ни один наземный детектор так и не поймал ни одной «темной» частицы. Некоторые физики так расстроились от отсутствия результатов, что даже заявили о бесполезности наземных экспериментов по поиску темной материи, потому что такие детекторы может «ослеплять» земная кора или неизвестная новая сила.

На этом фоне чисто гравитационные наблюдения за темной материей становятся особенно важны. Конечно, такие наблюдения ничего не могут сказать о природе и механизме взаимодействия темной материи, однако они определяют один из важнейших параметров теории — массу частиц. Как правило, уже одной это информации достаточно, чтобы выбрать среди огромного зоопарка теорий, который предсказывает как ультралегкие частицы темной материи (аксионоподобные частицы с массой от 10⁻²² электронвольт), так и сверхтяжелые частицы (первичные черные дыры с массой порядка нескольких масс Солнца). К сожалению, в большинстве ситуаций как тяжелая, так и легкая темная материя ведет себя одинаково. Поэтому найти гравитационный эффект, который бы определялся массой отдельных частиц, а не массой вещества в целом, довольно сложно.

Один из таких эффектов, чувствительных к массе частиц — это сверхизлучение вращающихся черных дыр. В общих чертах, этот эффект заключается в том, что достаточно легкие частицы темной материи уносят угловой момент черной дыры и замедляют ее вращение. Для этого комптоновская длина волны частицы должна быть порядка радиуса горизонта событий черной дыры, а волновая функция «гравитационного атома», в котором ядром служит черная дыра, а электронами — сверхлегкие бозоны, должна перекрываться с эргосферой. Интересно, что эффект сверхизлучения не требует, чтобы черная дыра сразу была окружена такими частицами, поскольку они могут рождаться за счет квантовых флуктуаций вакуума вблизи горизонта событий. Следовательно, этот эффект устанавливает максимальную скорость вращения черной дыры, допустимую при заданной массе частиц темной материи.

Физики Хуман Давудиазл (Hooman Davoudiasl) и Питер Дентон (Peter Denton) посмотрели на этот эффект с другой стороны и вытащили из него ограничение на допустимую массу сверхлегких частиц темной материи. Для этого ученые рассмотрели сверхмассивную черную дыру в центре галактики M87 — первую черную дыру, тень которой удалось сфотографировать с помощью Телескопа горизонта событий. Эта фотография позволила напрямую измерить окружение черной дыры, уточнить ее массу и угловой момент. Оказалось, что масса черной дыры составляет M ≈ 6,5±0,7 миллиардов масс Солнца, а безразмерный параметр вращения a ≈ 0,9±0,1 (при максимальном значении параметра a = 1). Таким образом, рассмотренная черная дыра обладает наибольшим угловым моментом, когда-либо измеренным человеком. Подробнее о том, как ученые сфотографировали тень черной дыры, можно прочитать в материалах «Взгляд в бездну» и «Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере».

Собирая эти данные вместе и оценивая возраст черной дыры миллиардом лет (при таком значении ограничения наиболее консервативны), ученые получили, что масса скалярных частиц темной материи не может лежать в диапазоне между 8,5×10⁻²² и 4,6×10⁻²¹ электронвольт. Эта область вплотную прилегает к области параметров, запрещенной колебаниями плотности межзвездной среды и возможностью формирования крупномасштабной структуры Вселенной. Стоит отметить, что ранее ученые уже использовали сверхизлучение более легких черных дыр, чтобы исключить промежуток масс от 10⁻¹⁷ до 10⁻¹¹ электронвольт.

Недавно мы писали о другом способе детектирования ультралегких частиц, основанном на сверхизлучении: в начале этого года физики из Нидерландов и Германии заметили, что облако частиц, которое образуется за счет сверхизлучения, может испытывать резонансные переходы и модифицировать гравитационный сигнал, приходящий из двойных систем черных дыр. Теоретически такое изменение может почувствовать будущий гравитационный детектор LISA.

Кроме того, ученые ищут аксионы в прямых наземных экспериментах. В частности, физики предлагают ловить ультралегкие частицы с помощью «радио для темной материи», квантового испарения жидкого гелия, прецессии спина электрона, едва заметного изменения закона Кулона в атоме водорода и колебаний кристаллической решетки алмаза. Некоторые из этих идей уже воплощены в реальность — например, в детекторах ADMX и ABRACADABRA, основанных на «радио для темной материи». К сожалению, ни один из этих экспериментов аксионы не зарегистрировал.

Дмитрий Трунин