Czarne dziury wykluczone jako ciemna materia we Wszechświecie

Przez jeden krótki, błyskotliwy moment po wykryciu fal grawitacyjnych w 2015 roku, pochodzących od zderzających się czarnych dziur, astronomowie mieli nadzieję, że tajemnicza ciemna materia może składać się z mnóstwa czarnych dziur rozsypanych po całym Wszechświecie.

W oparciu o analizę statystyczną 740 najjaśniejszych supernowych odkrytych do roku 2014 roku oraz o fakt, że żadna z nich nie wydaje się być wzmocniona przez soczewkowanie grawitacyjne ukrytych czarnych dziur, naukowcy doszli do wniosku, że pierwotne czarne dziury mogą stanowić nie więcej, niż około 40% ciemnej materii we Wszechświecie. Pierwotne czarne dziury mogły powstać tylko w ciągu pierwszych milisekund Wielkiego Wybuchu, jako regiony Wszechświata o skoncentrowanej masie dziesiątek lub setek Słońc, zapadając się w obiekty o rozmiarach stu kilometrów.

Wyniki sugerują, że żadna ciemna materia Wszechświata nie zawiera ciężkich czarnych dziur ani żadnego podobnego obiektu, w tym masywnych zwartych obiektów halo, tak zwanych MACHO.

Ciemna materia jest jedną z najbardziej kłopotliwych zagadek astronomii: mimo, że stanowi 84,5% materii we Wszechświecie, nie można jej znaleźć.

Wielu teoretyków zaproponowało scenariusze, w których występuje wiele rodzajów ciemnej materii. Jeśli jednak ciemna materia składa się z kilku niepowiązanych ze sobą składników, każdy z nich wymaga innego wyjaśnienia pochodzenia, co sprawia, że modele są bardzo złożone.

Niepublikowana jeszcze reanaliza tego zespołu, wykorzystująca zaktualizowaną listę 1048 supernowych, ogranicza limit o połowę, do maksymalnie 23%, dalej zatrzaskując drzwi na propozycję ciemna materia – czarne dziury.

„Wróciliśmy do standardowych dyskusji: czym jest ciemna materia? Rzeczywiście, kończą nam się opcje. To wyzwanie dla przyszłych pokoleń” – powiedział Uroš Seljak, profesor fizyki i astronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego i współkierownik BCCP.

Ich wnioski bazują na fakcie, że niewidziana populacja czarnych dziur, albo jakichkolwiek zwartych, masywnych obiektów, grawitacyjnie zakrzywia i wzmacnia światło docierające do Ziemi od odległych obiektów. Dlatego soczewkowanie grawitacyjne powinno wpływać na światło odległych supernowych typu Ia. Są to eksplodujące gwiazdy, które naukowcy wykorzystywali jako świece standardowe do pomiaru odległości i udokumentowania ekspansji Wszechświata.

Miguel Zumalacárregui z Berkeley Center for Cosmological Physics przeprowadził złożoną analizę danych statystycznych dotyczących jasności i odległości do supernowych skatalogowanych w dwóch kompilacjach katalogów krzywych jasności 1320 obiektów, i stwierdził, że osiem z nich powinno być jaśniejszych o kilka dziesiątych procenta, niż przewidywano na podstawie obserwacji sposobu, w jaki supernowe jaśnieją i bledną w czasie. Nie wykryto takiego rozjaśnienia.

Inni badacze przeprowadzili podobne, ale prostsze analizy, które przyniosły niejednoznaczne wyniki. Ale Zumalacárregui uwzględnił dokładne prawdopodobieństwo zobaczenia wszystkich wzmocnień a także niepewności w jasności i odległości każdej supernowej. Nawet w przypadku małomasywnych czarnych dziur (1% masy Słońca), powinno się zaobserwować wzmocnione supernowe, jednak nie ma ich wcale.

Nie można zobaczyć tego efektu na jednej supernowej, ale gdy wykorzysta się wszystkie analizy Bayesinowskie, zacznie się nakładać bardzo mocne ograniczenia na ciemną materię, ponieważ zliczają się wszystkie supernowe i jest ich bardzo dużo. Im więcej supernowych jest uwzględnianych w analizie, tym dalej są one bardziej restrykcyjne. Dane dotyczące 1048 supernowych z katalogu Pantheon ustaliły jeszcze niższy górny limit – 23% – niż nowo opublikowana analiza.

Seljak opublikował pracę proponującą tego rodzaju analizę pod koniec lat ‘90 ubiegłego stulecia, ale kiedy zainteresowanie przeniosło się z poszukiwania dużych obiektów, MACHO, do poszukiwania cząsteczek podstawowych, w szczególności słabo oddziałujących masywnych cząstek, czyli WIPMów, plany kontynuacji wypadły z obiegu. Do tego czasu wiele eksperymentów wykluczyło większość mas i typów MACHO, pozostawiając niewiele nadziei na wykrycie takich obiektów.

W tym samym czasie odkryto tylko niewielką liczbę odległych supernowych typu Ia i zmierzono odległości do nich.

Dopiero po tym, jak obserwacje LIGO ponownie przywołały tę kwestię, Seljak i Zumalacárregui rozpoczęli skomplikowaną analizę, aby określić granice ciemnej materii.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
UC Berkeley

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.