Существование кластеров первичных черных дыр опровергнуто

Исследователи Женевского университета, Римского университета Ла Сапиенца и NICPB оценили вероятность существования кластеров первичных черных дыр, которые могли бы объяснить присутствие во Вселенной темной материи.

Согласно их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, наблюдения как событий микролинзирования, так и линий поглощения в свете далеких галактик полностью опровергают такую возможность.

Первичные черные дыры являются гипотетическими объектами, которые возникли сразу после Большого взрыва из-за неравномерного распределения материи и возникновения областей с высокой плотностью веществ и энергии. Согласно одной из гипотез, эти экзотические черные дыры должны вносить ощутимый вклад в темную материю. Однако, если бы число первичных черных дыр было большим, они часто сталкивались бы, порождая заметный гравитационно-волновой сигнал. Наблюдения коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA показали, что, даже если первичные черные дыры существуют, их вклад в темную материю был бы меньше процента.

Этот вывод подтверждается и наблюдениями событий микролинзирования. Такой массивный объект, как черная дыра, должен искажать своим гравитационным полем свет от фоновых объектов, усиливая их яркость. Если фоновый объект представляет собой тусклую малозаметную звезду или планету, то из-за микролинзирования его видимость резко увеличивается, в результате чего объект становится видимым для астрономов. Обилие первичных черных дыр должно прямо влиять на число таких событий, что также не наблюдается.

В новой работе исследователи проверили гипотезу, согласно которой кластеры первичных черных дыр обходят оба ограничения. Предполагается, что такой кластер действует как массивная одиночная линза, а взаимодействие пар черных дыр в ней препятствует слияниям, порождающим сильный гравитационно-волновой сигнал. Ученые показали, что для обхода ограничения микролинзирования кластеризация первичных черных дыр должна быть высокой, однако это противоречит наблюдениям леса Лайман-альфа.

Лес Лайман-альфа — это серия линий поглощения, которая возникает, когда свет от квазаров и далеких галактик проходит через облака нейтрального водорода, находящиеся на разных расстояниях от Земли. Чем дальше находится облако, тем в большей степени его линии поглощения будут смещены в сторону красной области спектра. Густота и интенсивность линий говорит о состоянии межгалактических облаков газа между наблюдателем и источником света. Ученые показали, что тяжелые кластеры первичных черных дыр должны были повлиять на спектр мощности материи, что не могло не отразиться на лесе Лайман-альфа.

Ограничений микролинзирования и леса Лайман-альфа избегают только легкие кластеры первичных черных дыр, однако они должны быстро распадаться. Таким образом, результаты исследования исключают возможность, что первичные черные дыры могут быть темной материей, если они имеют звездные массы.