Naukowcy z zespołu OGLE z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego opublikowali wyniki najnowszego eksperymentu, którego celem było zbadanie czy ciemna materia w Drodze Mlecznej składa się z miniaturowych czarnych dziur.
Współczesne obserwacje astronomiczne wskazują, że 85% całkowitej masy Wszechświata znajduje się w formie ciemnej materii, nieemitującej światła i oddziałującej wyłącznie za pośrednictwem grawitacji. Pomimo że od jej odkrycia minęło już ponad 90 lat, jej natura pozostaje wielką zagadką. Według najbardziej popularnych hipotez, ciemna materia składa się z nieznanych, słabo oddziałujących cząstek elementarnych. Jednak pomimo dekad wysiłków, żaden eksperyment (na czele z eksperymentami prowadzonymi za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów) nie wykrył śladów cząstek ciemnej materii.
W ostatnich latach coraz większe zainteresowanie wzbudziła hipoteza, że ciemna materia może składać się z miniaturowych czarnych dziur o średnicy kilkunastu centymetrów – mówi dr Przemysław Mróz, pierwszy autor publikacji. Pomimo niewielkich z pozoru rozmiarów, ich masy byłyby zbliżone do mas planet znajdujących się w Układzie Słonecznym. To tak jakby ścisnąć Neptuna do rozmiarów grejpfruta!
Takie miniaturowe czarne dziury (zwane również pierwotnymi czarnymi dziurami – z ang. primordial black holes) mogły powstać na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, zanim uformowały się pierwsze gwiazdy, a nawet pierwsze atomy. Mogły powstać w trakcie kosmicznej inflacji (fazy szybkiego rozszerzania się młodego Wszechświata) lub jako skutek uboczny łączenia się cząstek elementarnych.
Znaczące ilości ciemnej materii znajdują się również w naszej Galaktyce, zwanej Drogą Mleczną. Gdyby hipoteza o miniaturowych czarnych dziurach była prawdziwa, to – w otoczeniu Słońca – w sześcianie o boku jednego roku świetlnego, znajdowałoby się co najmniej kilka takich obiektów. Być może jeden znajduje się nawet w Układzie Słonecznym. W 2019 roku dwaj fizycy-teoretycy, Jakub Scholtz i James Unwin, wysunęli hipotezę, że Dziewiąta Planeta, której istnienie jest postulowane na podstawie obserwacji ruchu odległych obiektów transneptunowych, to właśnie taka miniaturowa czarna dziura.
Gdyby ciemna materia w znaczącej części składała się z miniaturowych czarnych dziur, to pomimo że nie można ich dostrzec bezpośrednio, wywoływałyby one potencjalnie obserwowalne skutki, między innymi zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Mikrosoczewkowanie zachodzi, kiedy światło odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez grawitację bliższego obiektu, zwanego soczewką – mówi prof. Andrzej Udalski, lider projektu OGLE. Ponieważ efekt nie zależy od jasności obiektu-soczewki, metoda ta pozwala na wykrywanie ciemnych, nieświecących ciał, wymykających się tradycyjnym metodom detekcji.
W celu zweryfikowania powyższej hipotezy, astronomowie z projektu OGLE zaprojektowali i przeprowadzili specjalny eksperyment, w którym przez dwa sezony obserwacyjne (od października 2022 do kwietnia 2024) mierzyli jasność około 35 milionów gwiazd znajdujących się w dwóch sąsiednich galaktykach, zwanych Wielkim i Małym Obłokiem Magellana. Obserwacje były prowadzone przy użyciu Teleskopu Warszawskiego znajdującego się w Obserwatorium Las Campanas w Chile. Każda badana gwiazda była wielokrotnie (nawet 20 razy) fotografowana każdej pogodnej nocy w trakcie trwania eksperymentu.
Wysoka częstość obserwacji była tu kluczowa: zjawiska mikrosoczewkowania wywołane przez miniaturowe czarne dziury trwałyby zaledwie po kilka godzin – tłumaczy dr Mróz. Znacznie trudniej je wykryć niż zjawiska spowodowane przez zwyczajne gwiazdy, których to długość waha się od tygodni do miesięcy. Obliczenia przeprowadzone przez naukowców pokazały, że gdyby cała ciemna materia składała się z miniaturowych czarnych dziur o masach planet, to powinni oni byli wykryć ponad 2500 krótkich zjawisk mikrosoczewkowania. Tymczasem analiza zebranych obserwacji ujawniła tylko jedno zjawisko, trwające kilka miesięcy.
Powyższe wyniki, w połączeniu z analizami opublikowanymi przez ten sam zespół w czerwcu tego roku w czasopiśmie Nature, pokazują, że pierwotne czarne dziury o masach w bardzo szerokim zakresie (od tych mniejszych od Księżyca po olbrzymie czarne dziury kilkaset razy bardziej masywne niż Słońce) mogą co najwyżej stanowić niewielki ułamek ciemnej materii w Drodze Mlecznej.
Ograniczenia na zawartość pierwotnych czarnych dziur w ciemnej materii na podstawie różnych badań. Źródło: P. Mróz, A. Udalski, et al.
Artykuł naukowy opisujący wyniki badań ukazał się w prestiżowym czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.
Artykuł został wyróżniony przez wydawcę tego czasopisma, Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne, jako jeden z najciekawszych w obecnym wydaniu.
Więcej:
- Projekt OGLE (odc. 9) i Pierwotne czarne dziury (odc. 157) w Astronarium
Autorzy: dr P. Mróz, prof. dr hab. A. Udalski
Opracowanie: Magda Maszewska
Na zdjęciu: Noc nad Obserwatorium Las Campanas w Chile. Stacja obserwacyjna projektu OGLE oraz Wielki i Mały Obłok Magellana, fot.: Krzysztof Ulaczyk
