Przejdź do treści

Sprawdzono czy czarne dziury tworzą ciemną materię

Mikrosoczewkowanie w WIelkim Obłoku Magellana - porównanie przewidywań i obserwacji

Naukowcy z polskiego projektu OGLE opublikowali wyniki analiz dwudziestu lat obserwacji. Okazuje się, że czarne dziury nie odpowiadają za ciemną materię, a na dodatek pierwotne czarne dziury nie są źródłem fal grawitacyjnych obserwowanych przez LIGO i Virgo.

Ciemna materia to jednak z największych zagadek Wszechświata, intensywnie badana przez naukowców. Wiemy, że odpowiada za około 5% całkowitej masy i energii Wszechświata, ale nie wiemy jaka jest jej natura. Według przypuszczeń może składać się z nieznanych cząstek elementarnych, ale to tylko jedna z hipotez. Inna koncepcja proponuje, że za ciemną materię, albo przynajmniej za jej część, mogą być odpowiedzialne pierwotne czarne dziury.

Czarne dziury wykrywane przy pomocy detektorów fal grawitacyjnych mają masy zdecydowanie większe niż czarne dziury wcześniej znane w Drodze Mlecznej. Jest to 20-100 mas Słońca wobec 5-20 mas Słońca. Niektóre przypuszczenia sugerują więc, że detektory LIGO i Virgo mogą wykrywać właśnie pierwotne czarne dziury.

Wyjaśnienie dlaczego te dwie populacje czarnych dziur tak bardzo się różnią jest jedną z największych zagadek współczesnej astronomii – wskazał dr Przemek Mróz z Obserwatorium Astronomicznego UW, który jest pierwszym autorem dwóch najnowszych publikacji projektu OGLE.

Naukowcy z OGLE próbują rozwikłać zagadkę ciemnej materii przy pomocy obserwacji zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Są to zdarzenia wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina. Występują w sytuacji, gdy na jednej linii znajdą się daleka gwiazda, obserwator i obiekt pomiędzy nimi (np. niewidoczną słaba gwiazda albo czarna dziura). Wtedy światło odległej gwiazdy ulega zakrzywieniu i występuje tymczasowe pojaśnienie. Parametry zjawiska zależą od masy niewidocznego obiektu, który spowodował zjawisko, im większa masa, tym zjawisko trwa dłużej. Dzięki temu przy pomocy mikrosoczewkowania grawitacyjnego można szukać m.in. czarnych dziur.

W pracy wskazano, że gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masie 10 mas Słońca, to według przewidywań OGLE powinno wykryć 258 zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Gdyby czarne dziury miały po 100 mas Słońca, powinno być ich 99, a dla czarnych dziur o masach 1000 razy większych niż masa Słońca już jedynie 27. Jednak obserwacje nie wskazują żadnego z tych wyników - w danych OGLE znaleziono 13 takich zjawisk. Co więcej, większość z nich trwała mniej niż 100 dni i zapewne były spowodowane przez zwykłe gwiazdy w Drodze Mlecznej lub Wielkim Obłoku Magellana.

Dr Przemek Mróz wskazuje że masywne czarne dziury mogą stanowić co najwyżej niewielki ułamek ciemnej materii. Liczbowo wygląda to następująco: czarne dziury o masie 10 mas Słońca mogą stanowić co najwyżej 1,2% ciemnej materii, 100 mas Słońca – 3,0% ciemnej materii, 1000 mas Słońca – 11% ciemnej materii.

Wyniki z OGLE dają jeszcze jeden istotny wniosek. Są sugestią, że pierwotne czarne dziury nie mogą być źródłami fal grawitacyjnych wykrywanymi przez LIGO i Virgo. Bardziej prawdopodobne jest, iż 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 dwóch omawianych publikacjach zaprezentowano obserwacje z lat 2001-2020. Były to trzecia i czwarta faza projektu OGLE. Dane obejmują 80 milionów gwiazd z Wielkiego Obłoku Magellana, który jest niewielką galaktyką w pobliżu Drogi Mlecznej.

To najdłuższy, największy i najdokładniejszy ciąg czasowy obserwacji fotometrycznych
Wielkiego Obłoku Magellana zebranych w historii współczesnej astronomii
– powiedział prof. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego UW.

Jeden z artykułów ukazał się w „Nature”, a drugi w „Astrophysical Journal Supplement Series”. Tytuły to odpowiednio "No massive black holes in the Milky Way" halo oraz "Microlensing optical depth and event rate toward the Large Magellanic Cloud based on 20 years of OGLE observations". Stanowią podsumowanie badań projektu OGLE w zakresie ciemnej materii.

Skład zespołu badawczego: 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,

Więcej informacji:

 

Opracowanie: Krzysztof Czart

Źródło: OA UW

 

Ilustracja:
Spodziewane (po lewej) i obserwowane przez OGLE zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego (po prawej). Źródło: J. Skowron / OGLE

 

Reklama