Темная материя могла состоять из черных дыр с незапамятных времен

Согласно новому исследованию, темная материя, таинственная субстанция, которая проявляет гравитационное притяжение, но не излучает света, на самом деле может состоять из огромных скоплений древних черных дыр, созданных в самом начале Вселенной.

Этот вывод сделан на основе анализа гравитационных волн или ряби в пространстве-времени, вызванных двумя удаленными столкновениями между черными дырами и нейтронными звездами.

Рябь, обозначенная GW190425 и GW190814, была обнаружена в 2019 году обсерваторией гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) в Вашингтоне и Луизиане и интерферометром Девы недалеко от Пизы, Италия. Предыдущий анализ показал, что рябь была вызвана столкновениями между черными дырами, масса которых в 1,7–2,6 раза больше массы нашего Солнца, и либо меньшей нейтронной звездой, либо гораздо большей черной дырой.

Но это сделало бы один из объектов при каждом столкновении, что астрофизики называют черной дырой с массой Солнца, примерно с массой Солнца.

"Черные дыры солнечной массы довольно загадочны, поскольку их не ожидают от традиционной астрофизики», например взрывы звезд или сверхновые, которые превращают более крупные звезды в черные дыры", - сказал ведущий автор исследования Владимир Тахистов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Анхелес, сообщил Live Science в электронном письме.

Вместо этого авторы предлагают в исследовании, опубликованном 16 февраля в журнале Physical Review Letters , эти черные дыры солнечной массы могут быть «первичными» черными дырами, созданными во время Большого взрыва. Или они могли образоваться позже, когда нейтронные звезды были преобразованы в черные дыры - либо после поглощения первичных черных дыр, либо после поглощения определенных предполагаемых типов темной материи, таинственная материя, которая оказывает гравитационное притяжение, не взаимодействует со светом, сказал Тахистов.

Изначальные черные дыры, если они существуют, вероятно, были созданы в огромных количествах в первую секунду Большого взрыва около 13,77 миллиарда лет назад. Они были бы всех размеров - самый маленький был бы микроскопическим, а самый большой в десятки тысяч раз больше массы нашего Солнца.

Расчеты показывают, что самые маленькие к настоящему времени «испарились», испуская квантовые частицы в процессе, известном как излучение Хокинга, так что только первичные черные дыры с массой более 10-11 килограммов - примерно массы небольшого астероида - все еще будут существовать. сегодня.

Если бы они действительно существовали, эти древние черные дыры могли бы образовывать огромные ореолы «темной материи», окаймляющие галактики, считают некоторые астрофизики. Исследователи хотели узнать, смогут ли они отличить первичные черные дыры от черных дыр, которые образовались из нейтронных звезд, мерцающих остатков сверхновых звезд, оставшихся после взрыва их родительских звезд после израсходования всего своего водорода в реакциях ядерного синтеза.

Астрофизики подсчитали, что звезды, масса которых меньше, чем примерно в пять раз превышает массу Солнца, коллапсируют, оставляя после себя нейтронную звезду из сверхплотной материи, при этом примерно масса нашего Солнца упаковывается в шар размером с город, сообщает Live Science.

Согласно этой теории, сильная гравитация некоторых нейтронных звезд постоянно притягивала бы частицы темной материи; Новое исследование предполагает, что в конечном итоге их гравитация станет настолько большой, что нейтронная звезда и темная материя схлопнутся вместе в черную дыру.

Альтернатива, предложенная исследованием, заключается в том, что нейтронная звезда могла притягиваться и сливаться с небольшой первичной черной дырой, которая затем осела в центре тяжести нейтронной звезды и питалась окружающей материей, пока не осталась только черная дыра.

Тахистов и его коллеги рассудили, что черные дыры, трансмутированные из нейтронных звезд, должны будут следовать тому же распределению масс нейтронных звезд, от которых они произошли, которое зависит от размеров их родительских звезд.

Принимая это во внимание, они изучили данные 50 или около того обнаружений гравитационных волн, сделанных на сегодняшний день, и обнаружили, что только два - GW190425 и GW190814 - связаны с объектами с правильной массой, чтобы быть первичными черными дырами, пишут авторы исследования.

Исследование не является окончательным: все еще возможно, что в этих двух столкновениях были задействованы нейтронные звезды обнаруженных масс или черные дыры, трансмутированные из нейтронных звезд таких размеров. Но авторы пишут, что распределение масс нейтронных звезд, предположительно существующих во Вселенной, делает это маловероятным.

"Наша работа является мощным испытанием для понимания их происхождения и связи с темной материей", - сказал Тахистов. "В частности, этот тест демонстрирует, что черные дыры, значительно тяжелее примерно 1,5 массы Солнца, очень маловероятно, чтобы быть «трансмутированными» черными дырами в результате разрушения нейтронных звезд".

И если это так, это намекает на то, что первичные черные дыры действительно могут существовать и что они могут быть компонентом темной материи, согласно исследованию.

По словам Тахистова, этот метод станет более точным по мере того, как будет обнаруживаться больше гравитационных волн: "Тест носит статистический характер, поэтому сбор большего количества данных позволит лучше понять".