Sprawdzili, czy ciemną materię tworzą czarne dziury

Wyniki badań przedstawiono w dwóch publikacjach naukowych. Jedna ukazała się w "Nature", a druga w "Astrophysical Journal Supplement Series". Stanowią niejako podsumowanie badań projektu OGLE w zakresie ciemnej materii.

Ciemna materia to tajemniczy składnik kosmosu, stanowiący około 5 proc. całkowitej masy i energii Wszechświata. Być może składa się z nieznanych cząstek elementarnych, ale jej natura pozostaje nieznana. Jedna z hipotez mówi, że pierwotne czarne dziury mogłyby odpowiadać przynajmniej za część ciemnej materii, a nawet że być może są one wykrywane przez detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO i Virgo. Czarne dziury wykrywane przez te detektory mają bowiem masy wyraźnie większe niż wcześniej znane w Drodze Mlecznej (20-100 mas Słońca wobec 5-20 mas Słońca).

"Wyjaśnienie dlaczego te dwie populacje czarnych dziur tak bardzo się różnią jest jedną z największych zagadek współczesnej astronomii" - mówi pierwszy autor obu publikacji, dr Przemek Mróz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, cytowany w informacji przekazanej PAP przez jego obserwatorium.

Zaprezentowano wnioski z prawie dwudziestoletnich obserwacji z lat 2001-2020, czyli z trzeciej i czwartej fazy projektu OGLE. Dotyczą one 80 milionów gwiazd z Wielkiego Obłoku Magellana, galaktyki sąsiadującej z naszą. "To najdłuższy, największy i najdokładniejszy ciąg czasowy obserwacji fotometrycznych Wielkiego Obłoku Magellana zebranych w historii współczesnej astronomii" - mówi prof. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego UW.

Badania skupiają się na poszukiwaniu zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Jest to zdarzenie wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina. Gdy na linii widzenia mamy jakiś bliższy obiekt (np. niewidoczną słabą gwiazdę albo czarną dziurę) i bardziej odległą gwiazdę, to światło odległej gwiazdy może ulec zaburzeniu. W przypadku mikrosoczewkowania grawitacyjnego będzie to tymczasowe pojaśnienie w charakterystyczny sposób, w miarę jak obiekty przemieszczają się względem siebie. Parametry zjawiska są zależne od masy niewidocznego obiektu, który spowodował zjawisko, im większa masa, tym zjawisko trwa dłużej. Można więc w ten sposób na przykład próbować wykrywać czarne dziury.

Badacze wskazują, że gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masie 10 mas Słońca, to - według przewidywań - powinni wykryć 258 zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Gdyby czarne dziury miały po 100 mas Słońca, wtedy zjawisk mikrosoczewkowania powinno być 99, a dla czarnych dziur mających po 1000 mas Słońca już tylko 27.

Tymczasem w danych OGLE znaleziono 13 takich zjawisk. Na dodatek większość z nich trwała mniej niż 100 dni i zapewne były spowodowane przez normalne gwiazdy w Drodze Mlecznej lub Wielkim Obłoku Magellana. "Wskazuje to, że masywne czarne dziury mogą stanowić co najwyżej niewielki ułamek ciemnej materii" - tłumaczy dr Przemek Mróz.

Liczbowo przedstawia się to następująco: czarne dziury o masie 10 mas Słońca mogą stanowić co najwyżej 1,2 proc. ciemnej materii, 100 mas Słońca - 3,0% ciemnej materii, 1000 mas Słońca - 11 proc. ciemnej materii.

Naukowcy wskazują na jeszcze jeden istotny wniosek z uzyskanych wyników: czarne dziury nie mogą być źródłami fal grawitacyjnych. Sugerują, że bardziej prawdopodobne jest, iż czarne dziury wykrywane przez LIGO i Virgo powstały w efekcie ewolucji gwiazd masywnych o małej zawartości ciężkich pierwiastków, albo z połączenia się mniejszych obiektów.

OGLE to jeden z największych współczesnych przeglądów nieba. W jego ramach od ponad 32 lat prowadzone są regularne obserwacje fotometryczne. Projekt powstał w celu poszukania zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego, ale bogactwo zgromadzonych danych pozwala wykorzystywać je także do odkrywania i badań planet pozasłonecznych, analiz struktury i ewolucji Drogi Mlecznej, gwiazd zmiennych, kwazarów, gwiazd nowych, gwiazd supernowych i innych zagadnień w astronomii.

W skład zespołu badawczego wchodzą: Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona, Milena Ratajczak, Mateusz Kapusta.