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. Być może zatem detektory LIGO i Virgo mogą wykrywać właśnie pierwotne czarne dziury.
Różnice między tymi dwiema populacjami czarnych dziur to jedna z największych zagadek współczesnej astronomii – wskazał dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, który jest pierwszym autorem dwóch najnowszych publikacji projektu OGLE.
Naukowcy z OGLE próbują rozwikłać zagadkę ciemnej materii przy pomocy obserwacji zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego, które wynikają 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). Światło odległej gwiazdy ulega wówczas 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 dają 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.
Doktor 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, o masie 100 mas Słońca – 3,0% ciemnej materii, a 1000 mas Słońca – 11% ciemnej materii.
Wyniki z OGLE pozwalają na jeszcze jeden istotny wniosek: pierwotne czarne dziury nie mogą być źródłami fal grawitacyjnych wykrywanymi przez LIGO i Virgo. Bardziej prawdopodobne jest, iż powstały albo 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 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: Przemysław 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 i 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
