Согласно ряду гипотез, первичные черные дыры, появившиеся в первые мгновения после возникновения Вселенной, могли быть одним из источников темной материи. Но результаты новых расчетов свидетельствуют: даже наиболее массивные объекты такого типа не в состоянии объяснить существенную долю невидимого вещества. При этом авторы работы не отрицают их существования — они лишь задают более строгие рамки для их возможной роли. Почему ученые пересмотрели эту гипотезу, рассказывается в материале «Известий».

Каким образом первичные черные дыры оказались связаны с темной материей

Обычные черные дыры появляются при коллапсе массивных звезд, а первичные, как предполагается, могли возникать напрямую из плотных сгустков вещества в молодой Вселенной. Существование таких объектов до сих пор остается гипотезой, но физики видят в них один из вариантов объяснения того, чем является темная материя.

Отдельное внимание привлекают так называемые чудовищно большие первичные черные дыры: их масса способна доходить до 100 млрд масс Солнца и превышать этот показатель. Она заметно больше массы даже самых крупных сверхмассивных черных дыр, найденных в центрах галактик. Темная материя, в свою очередь, составляет около 85% всей материи во Вселенной, но ее природа пока не установлена.

Команда физиков из разных стран, работу которой координировали специалисты Института теоретической физики в Майнце, проверила, способны ли подобные объекты формировать заметную часть темной материи. Итоги исследования представлены в журнале Physical Review Letters (PRL).

Как исследователи проверяли гипотезу о сверхмассивных черных дырах

Ученые изучили сценарий, при котором первичные черные дыры случайным образом распределены в пространстве. При таком раскладе в одних областях Вселенной подобных объектов было бы больше, а в других — меньше. Подобные статистические различия должны были бы отражаться на балансе темной материи и излучения в молодой Вселенной.

Поначалу избыток черных дыр в какой-то области уравновешивался бы небольшим дефицитом излучения. Однако по мере расширения Вселенной излучение становилось менее плотным, и первоначальный баланс нарушался. Следствием стали бы неоднородности — так называемые изокривизные возмущения, способные повлиять на последующую эволюцию космоса.

Группа рассчитала интенсивность таких колебаний и сравнила результаты с пределами, которые были получены при наблюдении реликтового микроволнового излучения. Этот сигнал — дошедшее до наших дней излучение ранней Вселенной; он дает возможность исследовать ее состояние на самых крупных масштабах.

Почему реликтовое излучение не согласуется с этой гипотезой

Расчеты продемонстрировали: если бы чудовищно большие первичные черные дыры существовали в заметном количестве, это вызвало бы чрезмерно сильные неоднородности в распределении темной материи по отношению к излучению. Подобные изменения обязаны были бы оставить характерные отпечатки в реликтовом микроволновом фоне.

Но наблюдения не обнаруживают ожидаемых признаков. По этой причине исследователи заключили: первичные черные дыры массой от 100 млрд солнечных масс не способны быть существенной частью темной материи, поскольку их предполагаемое обилие не согласуется с данными о ранней Вселенной.

Кроме того, полученные данные заставляют усомниться в ряде предположений о том, что первичные черные дыры могли быть «зародышами» необычно массивных галактик, найденных космическим телескопом «Джеймс Уэбб». Если бы подобные объекты образовывали значительную популяцию, их воздействие на реликтовое излучение оказалось бы более заметным.

Что это значит для поиска темной материи

Авторы отмечают, что работа не исключает существование первичных черных дыр такой массы. В исследовании использовалась упрощенная модель, где все объекты обладают одинаковой массой. Популяции с более широким разбросом масс еще только предстоит проанализировать, так что делать окончательные выводы обо всех возможных сценариях пока рано.

В будущем ограничения удастся уточнить за счет новых экспериментов по исследованию реликтового излучения, включая LiteBIRD и Обсерваторию Саймонса. Помимо этого, исследователи надеются распространить анализ на еще более тяжелые черные дыры, изучая гравитационные волны, которые могли появляться при их формировании.

Итак, исследование не раскрыло природу темной материи, но позволило сузить круг возможных объяснений. Первичные черные дыры по-прежнему входят в число объектов, интересующих физиков, но их сверхмассивная разновидность, судя по новым расчетам, едва ли способна выступать главным источником невидимого вещества.