Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pokud by temná hmota byla tvořena černými dírami, měli bychom je být schopni detekovat v našem kosmickém okolí.
Tým vědců z projektu OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) z Varšavské univerzity oznámil výsledky téměř 20 let trvajících pozorování, z nichž vyplývá, že středně hmotné černé díry mohou tvořit maximálně několik procent temné hmoty. Pro zdroje gravitačních vln je tedy zapotřebí jiné vysvětlení.
Od první detekce gravitačních vln ze splývající dvojice černých děr v roce 2015 zaznamenaly experimenty LIGO a Virgo více než 90 takových událostí. Astronomové si všimli, že černé díry detekované pomocí LIGO a Virgo jsou obvykle výrazně hmotnější (20-100 hmotností Slunce) než dříve známé černé díry v Mléčné dráze (5-20 hmotností Slunce).
Jedno z možných vysvětlení by mohlo být, že detektory LIGO a Virgo odhalily populaci primordálních černých děr, které mohly vzniknout ve velmi raném vesmíru. Jejich existenci poprvé navrhl před více než 50 lety Stephen Hawking a nezávisle na něm sovětský fyzik Jakov Zeldovič.
„Víme, že raný vesmír nebyl ideálně homogenní – malé fluktuace hustoty daly vzniknout současným galaxiím a kupám galaxií,“ uvádí spoluautor nových studií Przemek Mróz z Varšavské univerzity. „Podobné fluktuace hustoty, pokud překročí kritický hustotní rozdíl, mohou zkolabovat a vytvořit černé díry.“
Od první detekce gravitačních vln stále více vědců spekuluje o tom, že takové primordiální černé díry mohou tvořit významnou část temné hmoty.
Tuto hypotézu lze ověřovat empiricky pomocí astronomických pozorování. Pozorujeme, že v Mléčné dráze existuje velké množství temné hmoty (poznámka PH: teď fungujeme v tomto kontextu, prostě že temná hmota je fakt atd.). Pokud by temná hmota byla tvořena černými dírami, měli bychom je být schopni detekovat v našem kosmickém okolí. Lze to ale vůbec – vzhledem k tomu, že černé díry nevyzařují žádné detekovatelné světlo?
Lze. Podle obecné teorie relativity může být světlo ohýbáno a vychylováno v gravitačním poli hmotných objektů, (gravitační mikročočkování). Během mikročočkování může dojít k vychýlení a „zvětšení“ světla zdroje a my u zdroje světla pozorujeme dočasné zjasnění. Doba trvání zjasnění závisí na hmotnosti čočkujícího objektu: čím vyšší je hmotnost, tím delší je událost. Mikročočkování objektů o hmotnosti Slunce obvykle trvá několik týdnů, zatímco zjasnění černých děr, které jsou stokrát hmotnější než Slunce, by trvalo několik let.
V novém studii astronomové prezentují výsledky téměř 20 let trvajícího fotometrického sledování téměř 80 milionů hvězd v blízké galaxii Velké Magellanovo mračno a hledání gravitačních mikročoček.
„Pokud by veškerá temná hmota v Mléčné dráze byla složena z černých děr o 10 Sluncí, měli bychom detekovat 258 mikročoček,“ uvádí P. Mróz. „Pro černé díry o hmotnosti 100 Sluncí jsme očekávali 99 mikročočkování. Pro černé díry o hmotnosti 1 000 hmotností Slunce 27 mikročočkování.
Astronomové ale v těchto studiích objevili pouze 13 případů mikročočkování. Podrobná analýza ukazuje, že všechny lze vysvětlit známými hvězdnými populacemi v Mléčné dráze nebo v samotném Velkém Magellanově mračnu, nikoliv černými dírami. To naznačuje, že masivní černé díry mohou tvořit nanejvýš několik procent temné hmoty. Podrobnější výpočty ukazují, že černé díry o hmotnosti 10 Sluncí mohou tvořit nanejvýš 1,2 % temné hmoty, černé díry o hmotnosti 100 hmotností Slunce 3,0 % temné hmoty a černé díry o hmotnosti 1 000 hmotností Slunce maximálně 11 % temné hmoty.
Pro masivní černé díry detekované zařízeními LIGO a Virgo je proto zapotřebí jiných vysvětlení. Podle jedné z hypotéz vznikly jako produkt vývoje masivních hvězd s nízkou metalicitou. Další možnost zahrnuje splynutí méně hmotných objektů v hustém hvězdném prostředí, jako jsou kulové hvězdokupy. (Poznámka PH: Tady se zase logika subjektivně trochu komplikuje, nejdřív šlo o vysvětlení temné hmoty, teď zase černých děr.)
Przemek Mróz et al, No massive black holes in the Milky Way halo, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07704-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.02386
Przemek Mróz et al, Microlensing Optical Depth and Event Rate toward the Large Magellanic Cloud Based on 20 yr of OGLE Observations, The Astrophysical Journal Supplement Series (2024). DOI: 10.3847/1538-4365/ad452e
Zdroj: University of Warsaw / Phys.org
