Сверхмассивные чёрные дыры не могут быть основным компонентом тёмной материи

Чёрные дыры, более массивные, чем целые галактики, не являются основным компонентом загадочной тёмной материи, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной, — показало новое исследование.

На протяжении десятилетий, чтобы объяснить, почему галактики не разлетаются при тех скоростях, с которыми они вращаются, учёные предполагали существование невидимой субстанции, известной как тёмная материя, гравитационное притяжение которой помогает удерживать галактики вместе. Считается, что тёмная материя составляет около пяти шестых всей материи во Вселенной.

Однако многое о тёмной материи остаётся неизвестным — включая то, существует ли она вообще. Чёрные дыры — хорошие потенциальные кандидаты на роль тёмной материи, поскольку они чрезвычайно массивны и их трудно заметить в тёмных глубинах космоса.

В новом исследовании учёные проверили, может ли тёмная материя состоять из «чудовищно огромных чёрных дыр» — тех, чья масса превышает 100 миллиардов масс Солнца. Чудовищно огромные чёрные дыры массой более 1 миллиона миллиардов — 10 миллионов миллиардов солнц были бы тяжелее целых галактик.

До сих пор астрономы не обнаружили ни одной чудовищно огромной чёрной дыры — на сегодня самая крупная известная чёрная дыра может весить около 36 миллиардов солнц. Поскольку исследователи не увидели ни одной даже после изучения множества галактик, новое исследование отметило, что они не могут составлять всю тёмную материю, — но члены команды задались вопросом, могут ли эти экзотические объекты всё же составлять значительную долю загадочной субстанции.

Обычно тёмную материю представляют как «мелкую пыль, разбросанную повсюду», — рассказал соавтор исследования Кристофер Герлах, физик-теоретик Института теоретической физики имени Гутенберга в Майнце (Германия). Однако если тёмная материя упакована в горстку гигантских объектов вроде чудовищно огромных чёрных дыр, «Вселенная становится зернистой на очень больших масштабах. И мы можем это проверить».

В частности, учёные проанализировали свет с зари существования Вселенной, рассказал соавтор исследования Ян Гуттенуар, физик-теоретик Института теоретической физики имени Гутенберга в Майнце.

В течение первых 380 000 лет после Большого взрыва космос был заполнен горячей плазмой, в которой был заперт свет. В конце концов расширение Вселенной позволило космосу достаточно остыть, чтобы плазма в значительной степени рассеялась и образовала атомы. Это, в свою очередь, позволило свету свободно светить, «и этот свет прибывает до сих пор», — объяснил Герлах. «Мы называем его реликтовым излучением — снимком младенческой Вселенной, покрывающим всё небо».

Температура реликтового излучения «варьируется от места к месту примерно на одну часть из 100 000», — рассказал соавтор исследования Антонио Иовино, физик-теоретик из Нью-Йоркского университета в Абу-Даби (ОАЭ). «Эта картина говорит нам о том, как была распределена материя тогда».

Анализ реликтового излучения показал, что оно не является зернистым так, как это сделали бы чудовищно огромные чёрные дыры. «Так что эти чёрные дыры не могут быть значительной частью тёмной материи», — сказал Николас Лейстер, физик-теоретик Института теоретической физики имени Гутенберга в Майнце.

Исследователи предупредили, что новые выводы не означают, что чудовищно огромные чёрные дыры не могут существовать, — лишь то, что они не составляют основную долю тёмной материи. Они добавили, что другой кандидат на роль тёмной материи — относительно крошечные чёрные дыры размером с астероид — потенциально может существовать. Сейчас они изучают, можно ли исключить такие малюсенькие чёрные дыры как основной компонент тёмной материи.

Учёные подробно описывают свои выводы в исследовании, которое будет опубликовано 26 октября в журнале Physical Review Letters.

Источник: Space.com; исследование — Physical Review Letters (публикация 26 октября).