Изображение галактики Андромеды, полученное с помощью камеры HSC.

Одна из самых известных теорий Стивена Хокинга о темной материи предсказывает, что эта таинственная и невидимая субстанция состоит из первичных черных дыр. Однако это не подтвердилось при последней проверке, проведенной массивным телескопом, который получил изображение целой галактики за один снимок.

Эти результаты не полностью исключают теорию знаменитого физика, но они предполагают, что первоначальные черные дыры должны быть действительно крошечными, чтобы объяснять существование темной материи.

Тайна темной материи

Темная материя — это название, данное физиками одному особенно таинственному явлению: все во вселенной движется, вращается и взаимодействует так, как если бы имело больше массы, чем мы можем обнаружить. Объяснения существования темной материи варьируются от призрачных частиц, называемых нейтрино, до неизвестных частиц и неоткрытых законов физики. В 1970-х годах Стивен Хокинг и его коллеги предположили, что Большой взрыв, возможно, создал огромное количество относительно маленьких черных дыр — каждая размером с протон. Эти крошечные древние черные дыры крайне трудно увидеть, но они должны оказывать сильное гравитационное воздействие на другие объекты: известное свойство темной материи. И, наконец, эту теорию получилось проверить — правда, только на первичных черных дырах, сравнимых по массе с Луной.

По мере совершенствования технологий ученые смогли делать все более четкие снимки космического пространства. Цифровая камера Hyper Suprime-Cam (HSC), установленная на телескопе Subaru на Гавайях — это передовая технология визуализации, которая может получить изображение всей галактики Андромеды (ближайшей к нашей) за один снимок. Масахиро Такада и его команда из Физико-математического института в Кавли (Япония) использовали эту камеру для поиска первичных черных дыр, а полученные результаты были опубликованы ранее в этом месяце в журнале Nature Astronomy.


Первое фото черной дыры. Увы — первичные черные дыры слишком малы, чтобы иметь диск из светящегося материала.

Черные дыры не излучают света, хотя сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в сердце галактики Мессье 87, окаймлены яркими дисками горячей материи. Однако первичные черные дыры в миллиарды раз меньше и не имеют видимой светящейся материи, окружающей их. Вместо этого, поиск маленьких черных дыр означает поиск мест, где их мощные гравитационные поля искажают свет от других звезд и галактик — это явление называется микролинзированием.

Телескопы обнаруживают микролинзирование от черной дыры, делая много разных снимков звезды с течением времени. Черная дыра, проходя перед этой звездой, искажает ее свет, заставляя ее временами светиться гораздо ярче, вспыхивать, и чем меньше черная дыра, тем быстрее проходит вспышка. «Если объект, создающий линзу, имеет, скажем, одну солнечную массу», — сказал Такада, «временной масштаб вспышки составляет несколько месяцев или год». Но первичные черные дыры, которые они ищут, имеют куда меньшую массу, примерно сравнимую с лунной — а это означает, что вспышки звезд от такого микролинзирования будут намного короче. 

По словам Такады, камера HSC уникальна, так как она позволила им сделать снимки всех звезд в галактике Андромеды сразу, с потрясающе быстрыми (для астрономов) интервалами экспозиции — каждый интервал составлял всего 2 минуты. Он и его команда сделали около 200 снимков ближайшей к нам галактики за 7 часов ясной ночи, и нашли только одно подходящее событие микролинзирования. По словам Такады, если первичные черные дыры составляют значительную долю темной материи, они должны были увидеть около 1000 сигналов микролинзирования.

ezgif.com-optimize.gif

«Микролинзирование является золотым стандартом для обнаружения черных дыр или доказательства их отсутствия в определенной точке пространства», — сказал Симеон Берд, физик, изучающий черные дыры в Университете Калифорнии. «Эта работа исключает первичные черные дыры как родоначальников темной материи в диапазоне масс, где предыдущие измерения не были столь точными и всеобъемлющими. Это очень хороший результат».

Неужели это был последний гвоздь в крышку гроба, и теория Хокинга окончательно признана неверной? Это не так, по словам Берда и Такады, которые говорят, что первичные черные дыры определенного диапазона масс все еще могут существовать. «Есть еще подходящий диапазон для первичных черных дыр с крайне небольшими массами, как у крошечных астероидов», — сказал Берд. «Они могут объяснить от 1 до 10% всей темной материи». Но, к сожалению, HSC не может засечь настолько крошечные черные дыры, потому что вспышки звезд от них были бы слишком короткими, «поэтому нам нужно придумать другой способ сделать это», говорит Берд.

Однако после обработки полученных данных была обнаружена одна вспышка. Хотя это был единственный предварительный результат, он может оказаться невероятно важным: это первое обнаружение первичной черной дыры, которая может стать революционной проверкой некоторых работ Хокинга.

«Проблема лишь в том, что один положительный результат не выглядит настолько убедительно», — сказал Такада. «Нам нужно больше наблюдений, чтобы подтвердить это. Если найденный объект действительно является первичной черной дырой, мы должны продолжать находить то же самое», поскольку они будут продолжать искать явления микролинзирования с помощью камеры HSC.