Первичные черные дыры не могут объяснить тёмную материю: новое исследование OGLE

Двадцать лет астрономы из Варшавского университета пристально вглядывались в глубины космоса, стремясь разгадать одну из самых интригующих тайн Вселенной — природу темной материи. С помощью проекта OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment — Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию) они наблюдали за миллионами звезд в Большом Магеллановом Облаке, надеясь увидеть едва уловимые тени, отбрасываемые невидимыми объектами. Тени, которые могли бы стать ключом к пониманию того, из чего состоит большая часть нашей Вселенной.

Темная материя — это невидимая субстанция, которая, по современным представлениям, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Ее присутствие проявляется лишь в гравитационном взаимодействии с обычной, видимой материей, скрепляя галактики и галактические скопления, словно невидимый клей. Но из чего она состоит? Ответ на этот вопрос остается одной из главных загадок современной астрофизики.

Одна из наиболее интересных гипотез предполагает, что темная материя состоит из первичных черных дыр (ПЧД), возникших в первые мгновения после Большого взрыва. Эти объекты, в отличие от своих звездных собратьев, образуются не в результате коллапса звезд, а из первичных флуктуаций плотности во Вселенной. Их массы могут варьироваться от микроскопических до сверхмассивных, а их обнаружение — сложнейшая задача для астрономов.

Именно здесь на помощь приходит метод гравитационного микролинзирования. Суть этого явления заключается в том, что гравитационное поле массивного объекта, например черной дыры, искривляет траекторию света от далекой звезды, действуя как линза. При этом наблюдатель на Земле видит кратковременное увеличение яркости звезды. Чем массивнее линза, тем дольше длится эффект микролинзирования.

Проект OGLE, основанный в 1992 году, стал одним из самых успешных инструментов для поиска микролинзирова-ния. Благодаря непрерывному мониторингу миллионов звезд в Большом Магеллановом Облаке (БМО) — ближайшей к нам галактике-спутнику — ученые смогли зарегистрировать множество событий микролинзирования, вызванных обычными звездами и коричневыми карликами. Однако, долгое время им не удавалось найти те самые, заветные тени, которые могли бы свидетельствовать о существовании ПЧД в гало Млечного Пути.

Прорыв произошел в 2024 году, когда ученые из проекта OGLE опубликовали результаты анализа данных, собранных за двадцать лет наблюдений. Объединив данные, полученные в третьей (2001-2009) и четвертой (2010-2020) фазах проекта, они создали уникальный набор однородных световых кривых для 78.7 миллионов звезд в БМО. В этом массиве данных, накопленном за десятилетия упорной работы, им удалось найти 16 событий микролинзирования, которые не могли быть объяснены влиянием обычных звезд или коричневых карликов.

Внимательное изучение характеристик этих событий показало, что все они имеют продолжительность меньше года, что противоречит ожиданиям для микролинзирования, вызванного ПЧД. В результате ученые пришли к неожиданному выводу: ПЧД не могут составлять значительную часть темной материи.

Это открытие стало настоящей сенсацией в астрофизическом сообществе. ПЧД, долгое время считавшиеся одним из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи, выпали из гонки. Поиски невидимой субстанции продолжаются, и перед учеными встают новые задачи. Но работа проекта OGLE стала важным шагом на пути к разгадке одной из самых фундаментальных загадок Вселенной.

Несмотря на то, что проект OGLE не смог подтвердить гипотезу о ПЧД, его результаты оказались чрезвычайно важными для астрономии. Они не только ограничили возможный состав темной материи, но и позволили нам лучше понять распределение массы в гало Млечного Пути. Проект продолжает свою работу, и мы можем ожидать новых открытий в ближайшем будущем.

Если ПЧД не составляют значительную часть темной материи, то что же это может быть? Неужели ученые вернулись к «нулевой точке» в своих поисках?

Наука редко движется по прямой. Отказ от одной гипотезы открывает путь для других. Среди альтернативных кандидатов на роль темной материи можно выделить:

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) — слабо взаимодействующие массивные частицы): гипотетические частицы, которые слабо взаимодействуют с обычной материей. Их поиски ведутся в специально созданных подземных лабораториях.

• Аксионы: гипотетические легкие частицы, которые могут превращаться в фотоны в присутствии магнитного поля. Их поиски ведутся с помощью специальных телескопов и детекторов.

• Стерильные нейтрино: гипотетические тяжелые нейтрино, которые не взаимодействуют с обычной материей через слабое взаимодействие.

• Другие экзотические частицы: существуют и другие гипотезы, например, о существовании частиц «темного сектора», которые взаимодействуют только друг с другом.

Если OGLE не обнаружил долговременных событий микролинзирования, означает ли это, что массивных черных дыр в гало Млечного Пути нет вообще?

OGLE имеет ограниченную чувствительность, и его данные не исключают существования небольшого количества массивных черных дыр в гало. Возможно, их просто слишком мало, чтобы быть обнаруженными с помощью микролинзирования. Другие методы, такие как наблюдения за движением звезд в галактике, могут дать дополнительную информацию.

Какие еще задачи, помимо поиска темной материи, может решать проект OGLE?

OGLE — универсальный инструмент для изучения различных астрофизических явлений. Он используется для:

• Поиска экзопланет: микролинзирование позволяет обнаруживать планеты, вращающиеся вокруг других звезд.

• Изучения переменных звезд: OGLE собрал огромный объем данных о переменных звездах разных типов, что позволяет лучше понять их природу и эволюцию.

• Изучения строения Млечного Пути: микролинзирование дает информацию о распределении массы в галактике, включая темную материю.

• Изучения других галактик: OGLE также наблюдает за другими галактиками, в том числе за Магеллановыми Облаками, что позволяет изучать их строение и эволюцию.