Czarne dziury i ciemna materia. Nowe odkrycia astronomów z UW

Skąd pochodzą czarne dziury wykrywane za pomocą detektorów LIGO oraz Virgo? Według jednej z hipotez mogły one powstać na bardzo wczesnym etapie istnienia Wszechświata i mogą zawierać tajemniczą ciemną materię. Jednak astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego, opierając się na blisko 20-letnich obserwacjach wykonanych w ramach projektu OGLE ustalili, że takie czarne dziury mogą stanowić co najwyżej kilka procent ciemnej materii.

Fale grawitacyjne po raz pierwszy udało się zarejestrować we wrześniu 2015 roku, jednak informację podano dopiero po dogłębnej analizie danych – w lutym 2016. Następne wykrycie fal nastąpiło w grudniu 2015 roku. Potem nastąpiły kolejne. Dziś detektory LIGO i Virgo mają na koncie ponad 90 detekcji fal grawitacyjnych. Pierwsze z nich pochodziły ze zderzenia czarnych dziur, potem obserwowano także fale pochodzące z kolizji gwiazd neutronowych.

Co ciekawe, astronomowie dostrzegli, że czarne dziury wykryte przez LIGO i Virgo są zazwyczaj znacznie masywniejsze (20–100 mas Słońca) niż te znane wcześniej w Drodze Mlecznej (5–20 mas Słońca). - Wyjaśnienie, dlaczego te dwie populacje czarnych dziur są tak różne, jest jedną z największych tajemnic współczesnej astronomii — mówi dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Jedno z możliwych wyjaśnień zakłada, że ​​detektory wykryły populację tzw. pierwotnych czarnych dziur, które mogły powstać na bardzo wczesnym etapie istnienia Wszechświata i mogą zawierać ciemną materię, tajemniczą substancję wypełniającą kosmos. Jednak astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego w dwóch publikacjach, które ukazały się na łamach pisma "Nature" (DOI: 10.1038/s41586-024-07704-6) oraz "The Astrophysical Journal Supplement Series" (DOI: 10.3847/1538-4365/ad452e), podważyli tę koncepcję. Według nich, pierwotne czarne dziury mogą odpowiadać jedynie za kilka proc. ciemnej materii obserwowanej w kosmosie.

Czarne dziury we Wszechświecie istnieją w wielu rozmiarach. Znamy takie o masach gwiazdowych, które powstały najprawdopodobniej w wyniku łączenia się ogromnych, umierających gwiazd i zapadania się ich jąder. W każdej galaktyce znajdują się supermasywne potwory o masie od milionów do miliardów mas Słońca. Istnieją również rzadkie czarne dziury o masach pośrednich.

Pierwotne czarne dziury to najmniejsze i najmniej masywne z tych obiektów - jak na czarne dziury. Koncepcja zakłada, że pierwotne czarne dziury powstały tuż po Wielkim Wybuchu. W odróżnieniu od zwykłych czarnych dziur, te stare obiekty powstały nie w wyniku kolapsu masywnej gwiazdy pod wpływem własnej grawitacji, ale bezpośrednio z niezwykle gęstej materii obecnej w pierwszej fazie ekspansji Wszechświata, kiedy materia była wciąż wystarczająco gorąca i gęsta.

Różna gęstość wczesnego Wszechświata mogła wytworzyć "kieszenie" tak gęste, że zapadłyby się w czarne dziury. Nie podlegałyby one ograniczeniom wielkości czarnych dziur z zapadających się gwiazd i mogłyby być bardzo małe. Pierwotne czarne dziury mogą stanowić wyjaśnienie nadmiernej grawitacji we Wszechświecie, za którą, jak się uważa, odpowiedzialna jest ciemna materia. Koncepcja ta została zaproponowana przez Stephena Hawkinga w latach 70. XX wieku i od tego czasu została rozszerzona przez innych naukowców.

- Wiemy, że wczesny Wszechświat nie był idealnie jednorodny. Niewielkie fluktuacje gęstości dały początek obecnym galaktykom i gromadom galaktyk. Podobne fluktuacje gęstości, jeśli miałyby dostatecznie dużą amplitudę, mogłyby się zapaść i utworzyć czarne dziury. Co więcej, od odkrycia fal grawitacyjnych coraz częściej spekuluje się, że takie czarne dziury mogłyby potencjalnie odpowiadać za dużą część, jeśli nie całość, ciemnej materii we Wszechświecie – przyznał Mróz, główny autor publikacji w "Nature" i "The Astrophysical Journal Supplement Series".

Ciemna materia to hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach.

Mimo lat poszukiwań istnienie ciemnej materii nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest jej dokładna natura i co ją tworzy. Zarówno obserwacje, jak i modele kosmologiczne sugerują, że tylko pięć proc. masy i energii zawartej we Wszechświecie to materia barionowa, czyli ta zwykła, znana nam materia. Reszta to nieznane nam jeszcze składniki stanowiące ciemną materię oraz ciemną energię, która też jest hipotetyczną formą energii.

- Natura ciemnej materii pozostaje wielką zagadką. Większość naukowców uważa, że składa się ona z nieznanych cząstek elementarnych. Problem w tym, że pomimo wielu dekad wysiłków żadne eksperymenty, na czele z eksperymentami prowadzonymi za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów, nie doprowadziły do odkrycia nowych cząstek, które mogłyby tworzyć ciemną materię – wyjaśnia Mróz.

Hipotezę tę można zweryfikować za pomocą obserwacji astronomicznych. W Drodze Mlecznej występują ogromne ilości ciemnej materii. Gdyby składała się ona z czarnych dziur, powinniśmy być w stanie wykryć je w naszym kosmicznym sąsiedztwie za pomocą zjawiska mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina światło może być uginane i odchylane w polu grawitacyjnym masywnych obiektów. Zjawisko to nazywa się mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym.

Grawitacja wypacza czasoprzestrzeń. Im gęstszy obiekt, tym silniejsza jest jego siła grawitacyjna, a gdy obiekt jest tak gęsty jak czarna dziura, to wypaczenie jest tak niewiarygodne, że działa jak soczewka, powiększając i zniekształcając znajdujące się za nim źródło światła tła. Zjawisko mikrosoczewkowania zachodzi, gdy światło od odległego źródła uginane jest przez bliższy obiekt zwany soczewką. Masa soczewki zakrzywia przestrzeń wokół niej, co powoduje ugięcie promieni świetlnych, w efekcie czego można zaobserwować pojaśnienie źródła.

Innymi słowy, do mikrosoczewkowania grawitacyjnego dochodzi wtedy, gdy grawitacja obiektów zagina i wzmacnia światło z odleglejszych gwiazd w chwili, gdy na jednej linii znajdzie się źródło promieniowania, obiekt soczewkujący oraz obserwator na Ziemi.

- Czas trwania pojaśnienia zależy od masy soczewkującego obiektu. Im większa masa, tym dłuższe zjawiska mikrosoczewkowania. W przypadku gwiazd o masie Słońca pojaśnienia trwają zwykle kilka miesięcy, w przypadku czarnych dziur stukrotnie większych niż Słońce powinny trwać nawet kilka lat – mówi prof. Andrzej Udalski, lider projektu OGLE.

OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) to projekt przeglądu nieba realizowanego od ponad 30 lat przez warszawskich astronomów. OGLE obserwuje dwa miliardy gwiazd z Drogi Mlecznej i pobliskich galaktyk.

Pomysł wykorzystania mikrosoczewkowania grawitacyjnego do badania ciemnej materii nie jest nowy. Po raz pierwszy zaproponował go w latach 80. polski astrofizyk Bohdan Paczyński. Jego pomysł zainspirował rozpoczęcie trzech dużych eksperymentów: polskiego OGLE, amerykańskiego MACHO i francuskiego EROS.

Pierwsze wyniki tych eksperymentów wykazały, że czarne dziury o masie mniejszej niż jedna masa Słońca mogą stanowić mniej niż 10 proc. ciemnej materii. Obserwacje te nie były jednak dokładne.

W publikacja na łamach "The Astrophysical Journal Supplement Series" astronomowie z OGLE przedstawili wyniki prawie 20 lat obserwacji blisko 80 milionów gwiazd znajdujących się w pobliskiej galaktyce zwanej Wielkim Obłokiem Magellana. Zaprezentowali też rezultaty poszukiwania i analizy zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego w tym kierunku. Dane pochodzą z trzeciej i czwartej fazy projektu OGLE i zostały zebrane w latach 2001–2020.

Jak podkreśla prof. Udalski, zebrany w ramach projektu OGLE zestaw danych zapewnia najdłuższe, największe i najdokładniejsze obserwacje fotometryczne gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana w historii współczesnej astronomii. - Gdyby cała ciemna materia w Drodze Mlecznej składała się z czarnych dziur o masie 10 mas Słońca, powinniśmy byli wykryć 258 zdarzeń mikrosoczewkowania. Dla czarnych dziur o masie 100 mas Słońca spodziewaliśmy się 99 zdarzeń mikrosoczewkowania. Dla czarnych dziur o masie 1000 mas Słońca — 27 zdarzeń mikrosoczewkowania – powiedział Mróz.

Ale w danych z OGLE znalazło się tylko 13 zdarzeń mikrosoczewkowania. Ich szczegółowa analiza pokazała, że wszystkie z nich były spowodowane przez gwiazdy w Drodze Mlecznej lub w samym Wielkim Obłoku Magellana, a nie przez czarne dziury. - To oznacza, że ​​masywne czarne dziury mogą składać się co najwyżej z kilku procent ciemnej materii — podkreślił Mróz.

Szczegółowe obliczenia pokazują, że czarne dziury o masie 10 mas Słońca mogą składać się co najwyżej z 1,2 proc. ciemnej materii, te o masie 100 mas Słońca — z 3,0 proc. ciemnej materii, a największe analizowane w tej pracy, czyli czarne dziury o masie 1000 mas Słońca — z 11proc. ciemnej materii.

- Nasze obserwacje wskazują, że pierwotne czarne dziury nie mogą być źródłami fal grawitacyjnych i jednocześnie tworzyć znacznej części ciemnej materii - zaznaczył Udalski.

Dlatego potrzebne są inne wyjaśnienia dla fal grawitacyjnych zarejestrowanych przez LIGO i Virgo. Naukowcy podkreślają, że znacznie bardziej prawdopodobne są inne koncepcje dotyczące dużych mas czarnych dziur wykrywanych przez oba detektory. Według jednej z hipotez powstały one jako produkt ewolucji masywnych gwiazd o niskiej metaliczności, czyli niskiej zawartości ciężkich pierwiastków. Inna możliwość obejmuje łączenie się mniej masywnych obiektów w gęstych środowiskach gwiazdowych, takich jak gromady kuliste.

Źródło: Uniwersytet Warszawski, fot. J. Skowron / OGLE. Background image of the Large Magellanic Cloud: generated with bsrender written by Kevin Loch, using the ESA/Gaia database