Группа ученых под руководством Николаса Лейстера из Майнцского института теоретической физики представила расчеты, которые ставят под сомнение одну из гипотез происхождения темной материи. Согласно их исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, гигантские первичные черные дыры не могут составлять значимую долю этой загадочной субстанции.
Первичные черные дыры — это гипотетические объекты, которые могли возникнуть в самом начале существования Вселенной из сверхплотных сгустков материи. В отличие от привычных черных дыр, которые образуются в результате коллапса массивных звезд, первичные объекты могли иметь иную природу. Особый интерес представляли так называемые «ошеломляюще огромные» (stupendously large) черные дыры, масса каждой из которых в 100 миллиардов раз превышает массу Солнца. Это делает их даже более массивными, чем сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, включая Млечный Путь.
Анализ реликтового излучения
Чтобы проверить, могут ли такие объекты быть источником темной материи (на которую приходится около 85% всей материи во Вселенной), команда Лейстера использовала новый подход. Ученые предположили, что если бы такие черные дыры были распределены в пространстве случайным образом, в одних областях их концентрация была бы выше, чем в других.
В начале существования Вселенной этот избыток черных дыр компенсировался недостатком излучения. Однако по мере расширения Вселенной и разрежения излучения этот баланс нарушился, что должно было привести к неоднородному распределению темной материи относительно радиации.
Исследователи сравнили свои теоретические прогнозы с данными о космическом микроволновом фоновом излучении (CMB) — слабом послесвечении Большого взрыва. Анализ показал, что если бы во Вселенной существовала значительная популяция таких гигантских черных дыр, они оставили бы в реликтовом излучении характерные следы неоднородности. Однако в реальном сигнале CMB такие паттерны отсутствуют.
Последствия для космологии
Полученные результаты не только ограничивают роль первичных черных дыр в составе темной материи, но и ставят под вопрос теорию о том, что именно эти объекты стали «зародышами» для массивных ранних галактик, которые были обнаружены телескопом James Webb.
Впрочем, авторы работы отмечают, что первичные черные дыры в этом диапазоне масс не исключены полностью. Поскольку в расчетах предполагалось, что все черные дыры имеют одинаковую массу, варианты с широким диапазоном масс всё еще требуют изучения.
В будущем ученые планируют использовать данные новых экспериментов, таких как LiteBIRD и обсерватория Саймонса, чтобы еще сильнее уточнить эти ограничения. Также команда надеется расширить анализ на еще более тяжелые объекты, изучая гравитационные волны, которые могли возникнуть при их формировании.
