W lutym 2016 r. Naukowcy pracujący dla Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) zapisali się w historii, kiedy ogłosili pierwsze w historii wykrywanie fal grawitacyjnych. Od tego czasu miało miejsce wiele detekcji, a współpraca naukowa między obserwatoriami - takimi jak Advanced LIGO i Advanced Virgo - pozwala na niespotykany dotąd poziom czułości i wymiany danych.
To wydarzenie nie tylko potwierdziło stuletnią prognozę Einsteina Teorii ogólnej teorii względności, ale także doprowadziło do rewolucji w astronomii. Wzbudziło także nadzieje niektórych naukowców, którzy wierzyli, że czarne dziury mogą tłumaczyć „brakującą masę” Wszechświata. Niestety, nowe badanie przeprowadzone przez zespół fizyków z UC Berkeley wykazało, że czarne dziury nie są długo poszukiwanym źródłem Ciemnej Materii.
Ich badanie, „Limity dotyczące obiektów gwiezdnych o zwartej masie jako ciemnej materii z grawitacyjnego układu soczewkowego supernowych typu Ia”, pojawiło się niedawno w Listy z przeglądu fizycznego. Badanie prowadzone było przez Miguela Zumalacarregu, globalnego członka Marie Curie w Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), przy wsparciu Urosa Seljaka - profesora kosmologii i współreżysera BCCP.
Mówiąc najprościej, Ciemna Materia pozostaje jedną z najbardziej nieuchwytnych i kłopotliwych tajemnic, przed którymi stoją dziś astronomowie. Pomimo tego, że stanowi 84,5% materii we Wszechświecie, wszystkie próby jej odkrycia zakończyły się niepowodzeniem. Zaproponowano wielu kandydatów, od ultralekkich cząstek (osi) po słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMPS) i masywne kompaktowe obiekty halo (MACHO).
Jednak kandydaci ci mają masę rzędu 90, co wielu teoretyków próbowało rozwiązać, proponując, że może istnieć wiele rodzajów ciemnej materii. Wymagałoby to jednak różnych wyjaśnień dotyczących ich pochodzenia, co jeszcze bardziej skomplikowałoby modele kosmologiczne. Jak wyjaśnił Miguel Zumalacárregui w niedawnym komunikacie prasowym UC Berkeley:
„Mogę sobie wyobrazić, że są to dwa rodzaje czarnych dziur, bardzo ciężkie i bardzo lekkie, lub czarne dziury i nowe cząstki. Ale w takim przypadku jeden ze składników jest o rząd wielkości cięższy od drugiego i należy je wytwarzać w porównywalnej obfitości. Przechodzilibyśmy od czegoś astrofizycznego do czegoś, co jest naprawdę mikroskopijne, być może nawet najlżejszego we wszechświecie, i byłoby to bardzo trudne do wyjaśnienia. ”
Na potrzeby badań zespół przeprowadził analizę statystyczną 740 najjaśniejszych odkrytych supernowych (od 2014 r.) W celu ustalenia, czy którykolwiek z nich został powiększony lub rozjaśniony przez obecność pośredniej czarnej dziury. Zjawisko to, w którym siła grawitacji dużego obiektu powiększa światło pochodzące z bardziej odległych obiektów, znane jest jako „soczewkowanie grawitacyjne”.
Zasadniczo, gdyby czarne dziury były dominującą formą materii we Wszechświecie, wówczas supernowe o powiększeniu grawitacyjnym występowałyby dość często z powodu pierwotnych czarnych dziur. Uważa się, że te hipotetyczne formy czarnej dziury powstały w ciągu pierwszych kilku milisekund po Wielkim Wybuchu w częściach Wszechświata, w których masa została skoncentrowana w dziesiątkach lub setkach mas Słońca, powodując powstanie najwcześniejszych czarnych dziur.
Obecność populacji czarnej dziury, a także wszelkich masywnych zwartych obiektów, wyginałaby się grawitacyjnie i powiększała światło odległych obiektów w drodze na Ziemię. Byłoby to szczególnie prawdziwe w przypadku odległych supernowych typu Ia, które astronomowie używali od dziesięcioleci jako standardowego źródła jasności do pomiaru odległości kosmicznych i tempa rozszerzania się Wszechświata.
Jednak po przeprowadzeniu złożonej analizy statystycznej danych dotyczących jasności i odległości 740 supernowych - 580 w Unii i 740 w katalogach Wspólnej analizy krzywej światła (JLA) - zespół stwierdził, że osiem supernowych powinno być jaśniejsze kilka dziesiątych procent niż obserwowano w przeszłości. Nie wykryto jednak takiego rozjaśnienia, nawet gdy uwzględniono czarne dziury o małej masie.
„Nie widzisz tego efektu na jednej supernowej, ale kiedy złożysz je wszystkie i wykonasz pełną analizę bayesowską, zaczynasz nakładać bardzo silne ograniczenia na ciemną materię, ponieważ każda supernowa się liczy i masz ich tak wiele”, powiedział Zumalacárregui.
Na podstawie analizy doszli do wniosku, że czarne dziury mogą stanowić nie więcej niż około 40% ciemnej materii we Wszechświecie. Po dodaniu 1048 jaśniejszych supernowych z katalogu Panteonu (i na większych odległościach) ograniczenia stały się jeszcze bardziej zaostrzone. Dzięki temu drugiemu zestawowi danych uzyskali jeszcze niższy górny limit - 23% - niż w ich oryginalnej analizie.
Wyniki te sugerują, że żadna ciemna materia Wszechświata nie składa się z ciężkich czarnych dziur lub jakichkolwiek podobnie masywnych obiektów, takich jak MACHO. „Wróciliśmy do standardowych dyskusji” - powiedział Seljak. „Czym jest ciemna materia? Rzeczywiście brakuje nam dobrych opcji. To wyzwanie dla przyszłych pokoleń. ”
Badanie to zostało oparte na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez Seljaka pod koniec lat 90. XX wieku, kiedy naukowcy rozważali MACHO i inne masywne obiekty jako potencjalne źródło ciemnej materii. Jednak badanie było ograniczone ze względu na fakt, że odkryto tylko niewielką liczbę odległych supernowych typu Ia lub zmierzono ich odległości w tym czasie.
Ponadto poszukiwanie Ciemnej Materii wkrótce potem zmieniło się z dużych obiektów na podstawowe cząstki (takie jak WIMP). W rezultacie plany dalszych badań nie zostały zrealizowane. Jednak dzięki obserwacjom fal grawitacyjnych w ramach LIGO możliwe było ponowne połączenie czarnych dziur z ciemną materią i zainspirowało Seljaka i Zumalacárregui do przeprowadzenia ich analizy.
„Intrygujące było to, że masy czarnych dziur podczas wydarzenia LIGO były dokładnie tam, gdzie czarne dziury nie zostały jeszcze wykluczone jako ciemna materia”, powiedział Seljak. „To był ciekawy zbieg okoliczności, który ekscytował wszystkich. Ale to był zbieg okoliczności. ”
Teorię Ciemnej Materii oficjalnie przyjęto w latach siedemdziesiątych, podczas „Złotej Ery Względności”, aby uwzględnić rozbieżności między pozorną masą obiektów we Wszechświecie a ich obserwowanymi efektami grawitacyjnymi. Wygląda na to, że pół wieku później wciąż próbujemy wyśledzić tę tajemniczą, niewidzialną masę. Ale z każdym badaniem nakładane są dodatkowe ograniczenia na Ciemną Materię i potencjalni kandydaci są eliminowani.
Z czasem możemy po prostu odkryć tę kosmologiczną tajemnicę i być o krok bliżej zrozumienia, jak wszechświat się formował i ewoluował.
