Первинні чорні діри становлять малу частку темної матерії Всесвіту

Чорні діри, що утворилися в перші миті після Великого вибуху, виявились значно менш ймовірними кандидатами на роль прихованої маси Всесвіту, ніж вважали раніше. Проаналізувавши гамма-випромінювання з глибин космосу, автори з’ясували, наскільки малою може бути їхня частка серед темної матерії.

Карта гамма-променевого неба за даними телескопа Fermi Large Area Telescope
Карта гамма-променевого неба, отримана за допомогою високоапертурного телескопа Fermi (Fermi Large Area Telescope). Авторство: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration

Походження первинних чорних дір

Первинні чорні діри могли утворитися в перші миті після Великого вибуху там, де речовина стискалася під тиском у нерівномірностях ранньої матерії. На відміну від чорних дір зоряного походження, вони не потребують колапсу зорі. 

Десятиліттями фізики розглядають їх як можливе пояснення темної матерії, адже такі об’єкти не випромінюють світла у звичайному сенсі й мало взаємодіють з іншою речовиною.

Астероїдний діапазон мас

Дослідники з Оклендського університету та Університету Райса зосередились на первинних чорних дірах з масою від 10¹⁴ до 10¹⁷ грамів. Цей діапазон фізики називають астероїдним, адже за масою такі об’єкти схожі на астероїди, хоча за густиною є типовими чорними дірами.

Об’єкти легші за 10¹⁴ г уже повністю випарувалися з часів Великого вибуху, а важчі за 10¹⁷ г випаровуються надто повільно, щоб давати помітний сигнал. Первинні чорні діри саме в цьому проміжку наближаються до кінця свого існування і випромінюють найінтенсивніше.

Подія в Києві на перетині мистецтва, космосу та технологій! Дізнатися більше

Цей механізм пов’язаний із випромінюванням Гокінга. Чорна діра випромінює теплові частинки й поступово втрачає масу, а що вона менша, то вища температура випромінювання. На фінальній стадії цей процес супроводжується сплеском гамма-квантів.

Аналіз фону

Щоб відокремити сигнал від первинних чорних дір, дослідники побудували модель позагалактичного гамма-фону і відняли вплив відомих джерел, а саме: блазарів і радіогалактик з активними ядрами, а також гамма-квантів, що виникають під час зіткнення космічних променів з інфрачервоним фоном Всесвіту.

Паралельно вони розробили програмний інструмент GammaPBHPlotter, що моделює випромінювання первинних чорних дір з урахуванням прямого випромінювання Гокінга, розпаду нестабільних частинок і анігіляції позитронів з електронами.

Подібний облік анігіляції позитронів у міжзоряному середовищі підсилює внесок у низькоенергетичну частину гамма-спектра і дає найточнішу серед усіх непрямих методів оцінку того, яку частку темної матерії можуть становити первинні чорні діри.

За розрахунками авторів, об’єкти з масою близько 10¹⁴ г не можуть становити більш як одну десятимільярдну частку спостережуваної темної матерії. Дещо вищий показник, максимум 6 %, отриманий для важчих об’єктів з масою близько 3×10¹⁶ г.

Дані й наступний крок

Суттєвим обмеженням дослідження є те, що доступні дані зібрані приладами гамма-телескопа EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) і телескопа комптонівського відображення COMPTEL (Imaging Compton Telescope) на борту обсерваторії Compton Gamma Ray Observatory, яку запустили 1991 року і звели з орбіти 2000-го. Новіших даних у цьому енергетичному діапазоні просто не існує. Саме тут пролягає так звана МеВ-прогалина в астрофізичних спостереженнях.

Закрити її здатні місії AMEGO-X (All-sky Medium Energy Gamma-ray Observatory eXplorer) і e-ASTROGAM, які досі не отримали фінансування від жодної великої космічної агенції. Обидві концепції розробляються технічно, і якщо їх схвалять, науковці зможуть перевірити, чи не зосереджена частина маси темної матерії у важчих первинних чорних дірах.

За матеріалами universetoday.com

Новини інших медіа
Hubble і James Webb показали галактику Чорне Око
Ідея з фільму «Армагеддон» виявилася близькою до реальності
Гімн України пролунав на чемпіонаті Європи з ракетомодельного спорту
Hubble розгадав таємницю злиття з раннього періоду існування Чумацького Шляху
Чи потрібні насправді орбітальні дзеркала
Анатомія зоряної смерті: виявлена наднова в момент вибуху
Слід зруйнованого скупчення показав темну матерію далекої галактики
ШІ виявляє приховані ознаки сонячних спалахів за кілька годин до їхнього початку
Новий погляд на Туманність Тарантул пояснив загадку зниклої енергії
Киплячий азот у космосі почав поводитися несподівано для науковців