Темная материя из первичных черных дыр с широким спектром масс примирила наблюдения с теорией

Группа физиков-теоретиков исследовала модель темной материи, в которой она состоит из первичных черных дыр с широким спектром масс, и оказалось, что эта модель хорошо объясняет многие несостыковки между астрономическими наблюдениями и предсказаниями Стандартной космологической модели с холодной темной материей, состоящей из тяжелых частиц, называемой ΛCDM. Наиболее сильно различаются предсказания новой модели и ΛCDM для возраста Вселенной, меньшего одного миллиарда лет, наблюдательные данные о котором достаточно скудны. Ученые надеются, что телескопы следующего поколения позволят проверить правильность их модели. Исследование принято к публикации в The Astrophysical Journal, препринт статьи выложен на arXiv.org.

Согласно данным астрономических наблюдений, около 68 процентов плотности энергии во Вселенной приходится на темную энергию, которую принято отождествлять с энергией вакуума, за почти 27 процентов отвечает темная материя, а на обычное барионное вещество остается чуть менее 5 процентов. Гипотеза о том, что во Вселенной около 85 процентов всего вещества сосредоточено в невидимой темной материи, объясняет и профиль скоростей движения звезд в галактиках и галактик в скоплениях, и спектр неоднородностей температуры космического микроволнового фона, и темп формирования галактик при эволюции Вселенной.

Существуют различные модели строения темной материи, но долгое время основным кандидатом на роль составляющих ее частиц считались вимпы (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) с массой от нескольких до нескольких сот гигаэлектронвольт, участвующие только в гравитационном и, возможно, слабом взаимодействиях с частицами Стандартной модели. Ни в одном лабораторном эксперименте, однако, вимпы обнаружить не удалось, что вынудило исследователей рассматривать альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи. К ним относятся и сверхтяжелые конгломераты частиц Стандартной модели, называемые макросами с массами до нескольких десятков килограмм, и сверхлегкие частицы, такие как стерильное нейтрино, дилатон и аксион.

Еще один кандидат на роль темной материи, который предложил Стивен Хокинг еще в 1971 году, — это первичные черные дыры, родившиеся в ранней Вселенной. Современные астрономические наблюдения, однако, существенно ограничивают массы этих черных дыр, если они лежат в сравнительно узком диапазоне: анализ гравитационного линзирования звезд в туманности Андромеды запретил черным дырам иметь массу порядка массы Луны, наблюдение за взрывами сверхновых ограничило вклад в темную материю от сверхмассивных черных дыр, а моделирование эволюции тусклых карликовых галактик вообще фиксировало возможную массу черных дыр, составляющих темную материю, на уровне массы Солнца, если спектр их масс не слишком широкий.

Чтобы обойти существующие экспериментальные ограничения, физики из Испании, Италии и США под руководством Нико Каппеллути (Nico Cappelluti) из Университета Майами теоретически исследовали модель темной материи, состоящей из первичных черных дыр с широким спектром масс. Согласно рассмотренной учеными теории, эти черные дыры рождались из-за фазовых переходов в ранней Вселенной, в результате которых скорость звука в первичной плазме существенно падала, и области Вселенной с большой кривизной коллапсировали в черные дыры с радиусами горизонтов событий порядка размера космологического горизонта в соответствующие периоды эволюции Вселенной. Широкий спектр масс первичных черных дыр возникает из-за того, что они рождались в результате разных фазовых переходов, происходящих при различной температуре Вселенной. Самые легкие из них имели планетарные массы и образовались при рождении W- и Z-бозонов. Черные дыры с массами порядка предела Чандрасекара родились при объединении u- и d-кварков в протоны и нейтроны, а с массами порядка 30 масс Солнца — при объединении двух кварков в пионы. На этапе же электрон-позитронной аннигиляции появились сверхмассивные черные дыры с массами более миллиона солнечных.

В рассмотренной модели с широким спектром масс черных дыр темная материя должна активно кластеризоваться, что помогает избежать строгих наблюдательных ограничений на ее количество. Помимо того, что первичные черные дыры дают правдоподобную модель темной материи, их существование разрешает некоторые противоречия между предсказаниями Стандартной космологической модели ΛCDM и наблюдательными астрономическими данными. Например, упомянутая выше кластеризация хорошо согласуется с наблюдаемым аномально большим количеством кластеров темной материи малых размеров. Кроме того, первичные сверхмассивные черные дыры могли очень быстро набрать массы в несколько миллиардов масс Солнца, что объясняет существование таких объектов уже при возрасте Вселенной менее 800 миллионов лет. Далее, черные дыры с массами более 50 масс Солнца, слияния пар которых наблюдались гравитационными обсерваториями LIGO и Virgo, и чье формирование запрещено астрофизической моделью эволюции двойных систем, могут быть первичными черными дырами, родившимися при образовании пионов. Наконец, новая теория хорошо объясняет слишком сильные крупномасштабные флуктуации космического микроволнового фона и их корреляцию с рентгеновским фоном, так как вклад и в тот, и в другой могло давать излучение аккреционных дисков первичных черных дыр.

Модель темной материи из первичных черных дыр дает предсказания относительно динамики образования звезд, которые расходятся с теми, которые дает ΛCDM. Существенно различаются они для больших красных смещений z ≥ 7, соответствующих возрасту Вселенной около 700 миллионов лет, но наблюдательные данные о том периоде достаточно скудны. Физики надеются, что наблюдения, которые планируется провести с помощью космических обсерваторий «Афина» и «Евклид», позволят проверить правильность их модели. Кроме того, различаются и детали сценария повторной ионизации Вселенной, которые могут быть экспериментально изучены с помощью строящегося массива радиотелескопов Square Kilometre Array и запущенного недавно космического телескопа «Джеймс Уэбб». Точность измерения флуктуаций космического микроволнового фона и их корреляций с рентгеновским фоном ограничена углом обзора действующих экспериментальных установок, который составляет десятые доли угловых минут, но будущие инструменты, такие как «Евклид» и телескоп «Роман», позволят увеличить его до нескольких градусов, что также может помочь установить правильность модели темной материи из первичных черных дыр. Наконец, эта модель предсказывает существенно более частые слияния черных дыр в ранней Вселенной, которые потенциально могут быть зарегистрированы в течение следующих сезонов работы гравитационной обсерватории LIGO или будущими экспериментами типа LISA.

Подробнее о первичных черных дырах можно прочитать в нашем интервью с физиком-теоретиком Бернардом Карром. Также мы писали о первых экспериментальных свидетельствах в пользу того, что темная материя по крайней мере частично может состоять из этих объектов.

Андрей Фельдман