У лютому 2016 року вчені, які працюють в Лазерному інтерферометрі гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO), внесли історію, коли оголосили про перше в історії виявлення гравітаційних хвиль. З цього часу було здійснено багаторазове виявлення та наукова співпраця між обсерваторіями - на кшталт Advanced LIGO та Advanced Virgo - дозволяє досягти безпрецедентного рівня чутливості та обміну даними.
Ця подія не тільки підтвердила багатовікове передбачення, зроблене теорією загальної відносності Ейнштейна, але також призвело до революції в астрономії. Це також сподівало надії деяких учених, які вважали, що чорні діри можуть пояснювати "відсутність маси" Всесвіту. На жаль, нове дослідження групи фізиків UC Berkeley показало, що чорні діри - це не так довго шукане джерело Dark Matter.
Нещодавно їхнє дослідження "Обмеження компактних об'єктів зоряної маси як темна матерія від гравітаційного об'єктива наднових типів Ia" нещодавно з'явилося в Листи з фізичного огляду. Дослідженням керував Мігель Зумалакаррегу, глобальний науковий співробітник Марі Кюрі в Центрі космологічної фізики Берклі (BCCP), за підтримки Уроша Селяка - професора космології та співдиректора БККП.
Простіше кажучи, Темна матерія залишається однією з найбільш невловимих і клопітних таємниць, з якими стикаються астрономи сьогодні. Незважаючи на те, що вона містить 84,5% речовини у Всесвіті, всі спроби її виявити поки що не вдалися. Було запропоновано багато кандидатів, починаючи від надлегких частинок (аксіонів) і закінчуючи слабко взаємодіючими масивними частинками (WIMPS) та масивними компактними ореолами (MACHO).
Однак ці кандидати мають масу порядку 90, що кілька теоретиків намагалися вирішити, припускаючи, що може бути кілька типів темної матерії. Однак це вимагало б різних пояснень їх походження, що лише ускладнить космологічні моделі. Як пояснив Мігель Зумалакаррегу в недавньому прес-релізі UC Berkeley:
«Я можу собі уявити, що це два типи чорних дір, дуже важкі і дуже легкі, або чорні діри та нові частинки. Але в цьому випадку один із компонентів на порядок важчий за інший, і їх потрібно виробляти в порівнянній кількості. Ми переходимо від чогось астрофізичного до чогось справді мікроскопічного, можливо, навіть найлегшого у Всесвіті, і це було б дуже важко пояснити ».
Заради свого дослідження команда провела статистичний аналіз 740 найяскравіших надновок, виявлених (станом на 2014 рік), щоб визначити, чи була якась із них збільшена чи освітлена наявністю втручається чорної діри. Це явище, коли гравітаційна сила великого об'єкта збільшує світло, що надходить від більш віддалених об'єктів, відоме як "гравітаційне лінзування".
В основному, якби чорні діри були домінуючою формою речовини у Всесвіті, то гравітаційно збільшені наднови траплялися б досить часто через споконвічні чорні діри. Вважається, що ці гіпотетичні форми чорної діри сформувалися протягом перших декількох мілісекунд після Великого вибуху в частинах Всесвіту, де маса сконцентрувалася в десятках або сотнях Сонячних мас, внаслідок чого утворюються найдавніші чорні діри.
Наявність цієї популяції чорної діри, як і будь-яких масивних компактних предметів, гравітаційно вигинає і збільшує світло від далеких предметів на шляху до Землі. Особливо це стосується віддалених наднових типу Ia, які астрономи десятиліттями використовували як стандартне джерело яскравості для вимірювання космічних відстаней і швидкості, з якою розширюється Всесвіт.
Однак, провівши складний статистичний аналіз даних про яскравість та відстань 740 наднових - 580 в Союзі та 740 у каталогах Спільного аналізу кривих світла (JLA) - команда дійшла висновку, що вісім наднових повинні бути яскравішими за на кілька десятих відсотків від того, що історично спостерігалося. Однак такого освітлення не було виявлено, навіть якщо чорні діри були низькими.
"Ви не можете побачити цей ефект на одній наднові, але коли ви зведете їх разом і зробите повний байєсівський аналіз, ви почнете ставити дуже сильні обмеження на темну речовину, адже кожна наднова нараховує, а їх у вас так багато", - сказав Зумалакарегю.
З їх аналізу вони дійшли висновку, що чорні діри можуть становити не більше ніж 40% темної речовини у Всесвіті. Включивши 1048 яскравіших наднових із каталогу Пантеона (і на більші відстані), обмеження стали ще жорсткішими. За допомогою цього другого набору даних вони отримали ще нижню верхню межу - 23% - ніж у первісному аналізі.
Ці результати говорять про те, що жодна темна речовина Всесвіту не складається з важких чорних дір або подібних масивних предметів, таких як MACHO. "Ми повернулися до стандартних дискусій", - сказав Селяк. «Що таке темна матерія? Дійсно, у нас не вистачає хороших варіантів. Це виклик для майбутніх поколінь ».
Це дослідження ґрунтувалося на попередніх дослідженнях, проведених Селяком наприкінці 90-х, коли вчені розглядали МАХО та інші масивні предмети як можливе джерело темної речовини. Однак дослідження було обмежене через те, що було виявлено лише невелику кількість віддалених наднових типу Ia або було виміряно їх відстані в той час.
Крім того, пошук Темної матерії перейшов незабаром від великих об'єктів до фундаментальних частинок (наприклад, WIMP). Як результат, плани щодо подальшого дослідження не здійснилися. Але завдяки LIGO-спостереженням гравітаційних хвиль можливий зв’язок між чорними дірами та темною речовиною знову з'явився та надихнув Селяка та Зумалакарегю на проведення їх аналізу.
"Що було інтригуючим, це те, що маса чорних дір у події LIGO була правильною там, де чорні діри ще не були виключені як темна речовина", - сказав Селяк. «Це був цікавий збіг обставин, який всіх схвилював. Але це був збіг ».
Теорія темної матерії була офіційно прийнята в 1970-х роках, під час «Золотого століття відносності», щоб врахувати розбіжності між уявною масою предметів у Всесвіті та їх спостережуваними гравітаційними ефектами. Здається, що через півстоліття ми все ще намагаємось відстежити цю таємничу, невидиму масу. Але з кожним дослідженням додаткові обмеження ставляться на Dark Matter і можливі кандидати усуваються.
Враховуючи час, ми можемо просто розблокувати цю космологічну таємницю і бути на крок ближче до розуміння того, як Всесвіт формувалася та розвивалася.
