Fizycy z Mainz Institute for Theoretical Physics wykluczyli, by ogromne pierwotne czarne dziury mogły stanowić istotną część ciemnej materii. Nowe obliczenia, opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters, opierają się na danych o mikrofalowym promieniowaniu tła, czyli pozostałości po Wielkim Wybuchu.

Czym są pierwotne czarne dziury

Pierwotne czarne dziury to obiekty hipotetyczne. Mogły powstać bezpośrednio z gęstych skupisk materii w bardzo wczesnym wszechświecie. Różnią się więc od czarnych dziur, które znamy dziś i które powstają, gdy masywne gwiazdy zapadają się pod własnym ciężarem.

Ciemna materia stanowi według obecnych szacunków około 85% całej materii we wszechświecie. Mimo wieloletnich poszukiwań nie wiadomo, z czego się składa. Jedna z hipotez zakłada istnienie populacji pierwotnych czarnych dziur, z których każda ważyłaby co najmniej 100 miliardów razy więcej niż Słońce. Badacze nazywają je „niewyobrażalnie wielkimi”. Byłyby cięższe nawet od największych supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk, także w Drodze Mlecznej.

Jak przeprowadzono test

Zespół Nicholasa Leistera sprawdził tę hipotezę od nowej strony. Jeśli takie obiekty byłyby rozrzucone w przestrzeni losowo, w jednych miejscach byłoby ich więcej, a w innych mniej, wyłącznie przypadkiem. Początkowo nadmiar czarnych dziur równoważyłby niewielki niedobór promieniowania. Gdy jednak wszechświat się rozszerzał, a promieniowanie rzedło, ta równowaga by się zaburzyła. W efekcie ilość ciemnej materii względem promieniowania różniłaby się w zależności od miejsca.

Im mniej czarnych dziur i im większa ich masa, tym bardziej nierównomierny byłby ich losowy rozkład. Badacze obliczyli siłę tych wahań i porównali ją z ograniczeniami wynikającymi z pomiarów mikrofalowego promieniowania tła (CMB). To słaby sygnał mikrofalowy, poświatę po Wielkim Wybuchu, który pozwala ocenić rozmieszczenie galaktyk w największych skalach wszechświata.

Wnioski i ograniczenia

Wynik jest jednoznaczny: liczna populacja takich czarnych dziur zostawiłaby w CMB charakterystyczne ślady, a w rzeczywistym sygnale ich nie widać. Rezultat podważa też przypuszczenia, że pierwotne czarne dziury pomogły wytworzyć zaskakująco masywne wczesne galaktyki zaobserwowane przez Teleskop Webba.

Badanie nie wyklucza całkowicie istnienia pierwotnych czarnych dziur w tym zakresie mas. Zespół przyjął bowiem, że wszystkie mają taką samą masę, więc populacje o bardzo zróżnicowanych masach wymagają jeszcze analizy. Mimo to nowe ograniczenia są wyraźnie ostrzejsze niż dotąd.

• Kolejne eksperymenty, w tym LiteBIRD i Simons Observatory, mają jeszcze zaostrzyć te limity.
• Badacze chcą też sięgnąć po jeszcze cięższe obiekty, szukając fal grawitacyjnych, które towarzyszyłyby ich powstawaniu.

Co to oznacza dla czytelnika

To badanie podstawowe i nie ma bezpośredniego przełożenia na codzienne życie. Pokazuje jednak, jak działa nauka: kolejne hipotezy o naturze ciemnej materii są sprawdzane na danych i stopniowo odrzucane, co zawęża krąg kandydatów. Wyniki są międzynarodowe i dotyczą całej fizyki, więc obejmują także polskie ośrodki, które uczestniczą w projektach kosmologicznych, choć w samym artykule źródłowym nie ma informacji o udziale konkretnych polskich zespołów.

Pytanie o to, czym jest ciemna materia, pozostaje otwarte. Wykluczenie jednej z hipotez nie przybliża jeszcze do odpowiedzi, ale pozwala skupić dalsze poszukiwania na pozostałych możliwościach.

Źródło: Phys.org – „’Stupendously large’ primordial black holes ruled out as a dark matter source”