Ученые усомнились в роли сверхмассивных черных дыр в составе темной материи

Первичные черные дыры могли возникнуть еще в первые мгновения существования Вселенной и, согласно некоторым гипотезам, стать одним из источников темной материи. Однако новые расчеты показали, что даже самые массивные из таких объектов не способны объяснить значительную часть невидимого вещества. При этом исследование не исключает их существование, а устанавливает более жесткие ограничения на их возможную роль. О том, почему ученые пересмотрели эту гипотезу, — в материале «Известий».

Как первичные черные дыры связали с темной материей

В отличие от обычных черных дыр, которые образуются в результате коллапса массивных звезд, первичные могли сформироваться непосредственно из плотных скоплений вещества в ранней Вселенной. Их существование пока остается гипотезой, однако физики рассматривают такие объекты в качестве одного из возможных объяснений природы темной материи.

Особый интерес представляют так называемые чудовищно большие первичные черные дыры — их масса может достигать 100 млрд масс Солнца и более. Это значительно превосходит массу даже крупнейших сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик. Темная материя, в свою очередь, составляет около 85% всей материи во Вселенной, однако ее природа до сих пор остается неизвестной.

Международная группа физиков под руководством исследователей из Института теоретической физики в Майнце проверила, могут ли такие объекты составлять значительную долю темной материи. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters (PRL).

Как ученые проверили гипотезу о сверхмассивных черных дырах

Исследователи рассмотрели сценарий, при котором первичные черные дыры случайным образом распределены в пространстве. В таком случае одни области Вселенной должны содержать больше подобных объектов, а другие — меньше. Эти статистические различия влияли бы на соотношение темной материи и излучения в ранней Вселенной.

Сначала избыток черных дыр в определенной области компенсировался бы небольшим недостатком излучения. Но по мере расширения Вселенной излучение становилось менее плотным, и первоначальный баланс нарушался. В результате возникали бы неоднородности — так называемые изокривизные возмущения, которые могли повлиять на дальнейшую эволюцию космоса.

Команда рассчитала силу таких колебаний и сопоставила полученные значения с ограничениями, установленными по наблюдениям реликтового микроволнового излучения. Этот сигнал представляет собой сохранившееся до наших дней излучение ранней Вселенной и позволяет изучать ее состояние на самых больших масштабах.

Почему реликтовое излучение противоречит гипотезе

Расчеты показали, что значительная популяция чудовищно больших первичных черных дыр привела бы к слишком сильным неоднородностям в распределении темной материи относительно излучения. Такие изменения должны были оставить характерные следы в реликтовом микроволновом фоне.

Однако наблюдения не обнаруживают ожидаемых признаков. Поэтому ученые пришли к выводу, что первичные черные дыры с массой от 100 млрд солнечных масс не могут составлять значительную часть темной материи: их предполагаемая многочисленность противоречит данным о ранней Вселенной.

Результаты также ставят под сомнение некоторые предположения о том, что первичные черные дыры могли стать «зародышами» необычно массивных галактик, которые обнаружил космический телескоп «Джеймс Уэбб». Если бы такие объекты составляли значительную популяцию, их влияние на реликтовое излучение было бы заметнее.

Что это означает для поиска темной материи

Авторы подчеркивают, что работа не исключает существование первичных черных дыр такой массы. Исследователи рассматривали упрощенную модель, в которой все объекты имеют одинаковую массу. Популяции с более широким распределением масс еще предстоит изучить, поэтому окончательные выводы о всех возможных сценариях делать рано.

В дальнейшем ограничения могут стать точнее благодаря новым экспериментам по изучению реликтового излучения, в том числе LiteBIRD и Обсерваторию Саймонса. Кроме того, ученые рассчитывают расширить анализ на еще более тяжелые черные дыры, изучая гравитационные волны, которые могли возникнуть при их формировании.

Таким образом, исследование не раскрыло природу темной материи, но позволило сузить круг возможных объяснений. Первичные черные дыры остаются одним из объектов интереса физиков, однако их сверхмассивная разновидность, согласно новым расчетам, вряд ли может быть основным источником невидимого вещества.