V únoru 2016 vědci pracující pro gravitační vlnovou observatoř laserového interferonu (LIGO) vytvořili historii, když oznámili vůbec první detekci gravitačních vln. Od té doby došlo k několika detekcím a vědecké spolupráce mezi observatořími - jako Advanced LIGO a Advanced Virgo - umožňují bezprecedentní úroveň citlivosti a sdílení dat.
Tato událost nejen potvrdila staletou predikci Einsteinovy teorie obecné relativity, ale také vedla k revoluci v astronomii. Také to vyvolalo naděje některých vědců, kteří věřili, že černé díry mohou odpovídat za „chybějící hmotu“ vesmíru. Nová studie týmu fyziků UC Berkeley bohužel ukázala, že černé díry nejsou dlouho vyhledávaným zdrojem temné hmoty.
Jejich studie „Limity kompaktních objektů hvězdné hmoty jako temná hmota z gravitačního objektivu typu Ia Supernovae“ se nedávno objevila v Dopisy fyzické kontroly. Studii vedl Miguel Zumalacarregu, globální člen Marie Curie v Berkeleyově centru pro kosmologickou fyziku (BCCP), s podporou Urosa Seljaka - profesora kosmologie a spoluřešitele BCCP.
Zjednodušeně řečeno, temná hmota zůstává jedním z nejvíce nepolapitelných a nepříjemných tajemství, kterým astronomové dnes čelí. Navzdory skutečnosti, že zahrnuje 84,5% hmoty ve vesmíru, všechny pokusy o její objevování dosud selhaly. Bylo navrženo mnoho kandidátů, od ultralehkých částic (axionů) až po slabě interagující masivní částice (WIMPS) a masivní kompaktní halo objekty (MACHO).
Tito kandidáti se však pohybují v množství řádově 90, což se několik teoretiků pokusilo vyřešit tím, že navrhli, že by mohlo existovat více typů temné hmoty. To by však vyžadovalo různá vysvětlení jejich původu, což by ještě více komplikovalo kosmologické modely. Jak Miguel Zumalacárregui vysvětlil v nedávné tiskové zprávě UC Berkeley:
"Dokážu si představit, že se jedná o dva typy černých děr, velmi těžké a velmi lehké, nebo černé díry a nové částice." V tom případě je však jedna ze složek řádově těžší než druhá a musí být vyrobeny ve srovnatelném množství. Chodili bychom z něčeho astrofyzikálního do něčeho, co je skutečně mikroskopické, snad i nejlehčí ve vesmíru, a to by bylo velmi obtížné vysvětlit. “
Pro účely studia provedl tým statistickou analýzu 740 nejjasnějších objevených supernov (od roku 2014), aby určil, zda některá z nich byla zvětšena nebo rozjasněna přítomností zasahující černé díry. Tento jev, kde gravitační síla velkého objektu zvětšuje světlo přicházející ze vzdálenějších objektů, se nazývá „gravitační čočka“.
V zásadě, pokud by černé díry byly dominantní formou hmoty ve vesmíru, pak by gravitačně zvětšené supernovy nastaly poměrně často kvůli prvotním černým děrám. Předpokládá se, že tyto hypotetické formy černé díry vznikly během několika prvních milisekund po Velkém třesku v částech Vesmíru, kde byla hmota soustředěna na desítky nebo stovky Slunečních hmot, což způsobilo vznik nejčasnějších černých děr.
Přítomnost této populace černých děr, stejně jako jakékoli masivní kompaktní objekty, by gravitačním způsobem ohýbala a zvětšovala světlo ze vzdálených objektů na cestě na Zemi. To by platilo zejména pro vzdálené supernovy typu Ia, které astronomové používají po desetiletí jako standardní zdroj jasu pro měření kosmických vzdáleností a rychlosti, kterou se vesmír rozšiřuje.
Po provedení komplexní statistické analýzy údajů o jasu a vzdálenosti 740 supernov - 580 v Unii a 740 v katalogech Společné analýzy světelných křivek (JLA) - tým dospěl k závěru, že osm supernov by mělo být jasnější několik desetin procent, než to, co bylo historicky pozorováno. Nebylo však zjištěno žádné takové zjasnění, a to ani v případě, že byly zahrnuty černé díry s nízkou hmotností.
"Tento efekt nevidíte na jedné supernově, ale když je všechny spojíte a provedete úplnou Bayesovskou analýzu, začnete na temnou hmotu působit velmi silná omezení, protože každá supernova se počítá a máte jich tolik," řekl Zumalacárregui.
Ze své analýzy dospěli k závěru, že černé díry mohou tvořit více než asi 40% tmavé hmoty ve vesmíru. Po zahrnutí 1 048 jasnějších supernov z katalogu Pantheonu (a na větší vzdálenosti) se omezení ještě zpřísnila. S tímto druhým souborem dat dosáhli ještě nižší horní hranice - 23% - než ve své původní analýze.
Tyto výsledky naznačují, že žádná z temných hmot vesmíru není složena z těžkých černých děr nebo z podobně masivních předmětů, jako jsou MACHO. "Vracíme se ke standardním diskusím," řekl Seljak. "Co je temná hmota?" Ve skutečnosti nám docházejí dobré možnosti. To je výzva pro budoucí generace. “
Tato studie byla založena na dřívějším průzkumu provedeném Seljakem na konci 90. let, kdy vědci považovali MACHO a další masivní předměty za možný zdroj temné hmoty. Studie však byla omezená vzhledem ke skutečnosti, že bylo objeveno nebo bylo změřeno jejich vzdálenosti jen malý počet vzdálených supernov typu Ia.
Kromě toho se hledání tmavé hmoty krátce poté přesunulo z velkých objektů na základní částice (jako jsou WIMP). V důsledku toho se nenavrhly plány na studium navazujících studií. Ale díky pozorování gravitačních vln LIGO se znovu objevilo možné spojení mezi černými dírami a temnou hmotou a inspirovalo Seljak a Zumalacárregui k provedení jejich analýzy.
"Zajímavé je, že masy černých děr v LIGO události byly přesně tam, kde černé díry ještě nebyly vyloučeny jako temná hmota," řekl Seljak. "To byla zajímavá náhoda, díky které byli všichni nadšení." Ale byla to náhoda. “
Teorie temné hmoty byla oficiálně přijata v 70. letech 20. století, během „Zlatého věku relativity“, aby se zohlednily rozdíly mezi zdánlivou hmotností objektů ve vesmíru a jejich pozorovanými gravitačními účinky. Zdá se, že o půl století později se stále snažíme vystopovat tuto tajemnou, neviditelnou mši. Ale s každou studií jsou na Temnou hmotu kladena další omezení a vyloučení možných kandidátů.
Když budeme mít čas, můžeme toto kosmologické tajemství prostě odemknout a být o krok blíže k pochopení toho, jak se vesmír formoval a vyvíjel.
