Przejdź do głównej zawartości

Czarne dziury wykluczone jako ciemna materia we Wszechświecie

Przez jeden krótki, błyskotliwy moment po wykryciu fal grawitacyjnych w 2015 roku, pochodzących od zderzających się czarnych dziur, astronomowie mieli nadzieję, że tajemnicza ciemna materia może składać się z mnóstwa czarnych dziur rozsypanych po całym Wszechświecie.


W oparciu o analizę statystyczną 740 najjaśniejszych supernowych odkrytych do roku 2014 roku oraz o fakt, że żadna z nich nie wydaje się być wzmocniona przez soczewkowanie grawitacyjne ukrytych czarnych dziur, naukowcy doszli do wniosku, że pierwotne czarne dziury mogą stanowić nie więcej, niż około 40% ciemnej materii we Wszechświecie. Pierwotne czarne dziury mogły powstać tylko w ciągu pierwszych milisekund Wielkiego Wybuchu, jako regiony Wszechświata o skoncentrowanej masie dziesiątek lub setek Słońc, zapadając się w obiekty o rozmiarach stu kilometrów.

Wyniki sugerują, że żadna ciemna materia Wszechświata nie zawiera ciężkich czarnych dziur ani żadnego podobnego obiektu, w tym masywnych zwartych obiektów halo, tak zwanych MACHO. 

Ciemna materia jest jedną z najbardziej kłopotliwych zagadek astronomii: mimo, że stanowi 84,5% materii we Wszechświecie, nie można jej znaleźć. 

Wielu teoretyków zaproponowało scenariusze, w których występuje wiele rodzajów ciemnej materii. Jeśli jednak ciemna materia składa się z kilku niepowiązanych ze sobą składników, każdy z nich wymaga innego wyjaśnienia pochodzenia, co sprawia, że modele są bardzo złożone.

Niepublikowana jeszcze reanaliza tego zespołu, wykorzystująca zaktualizowaną listę 1048 supernowych, ogranicza limit o połowę, do maksymalnie 23%, dalej zatrzaskując drzwi na propozycję ciemna materia – czarne dziury.

„Wróciliśmy do standardowych dyskusji: czym jest ciemna materia? Rzeczywiście, kończą nam się opcje. To wyzwanie dla przyszłych pokoleń” – powiedział Uroš Seljak, profesor fizyki i astronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego i współkierownik BCCP.  

Ich wnioski bazują na fakcie, że niewidziana populacja czarnych dziur, albo jakichkolwiek zwartych, masywnych obiektów, grawitacyjnie zakrzywia i wzmacnia światło docierające do Ziemi od odległych obiektów. Dlatego soczewkowanie grawitacyjne powinno wpływać na światło odległych supernowych typu Ia. Są to eksplodujące gwiazdy, które naukowcy wykorzystywali jako świece standardowe do pomiaru odległości i udokumentowania ekspansji Wszechświata.

Miguel Zumalacárregui z Berkeley Center for Cosmological Physics przeprowadził złożoną analizę danych statystycznych dotyczących jasności i odległości do supernowych skatalogowanych w dwóch kompilacjach katalogów krzywych jasności 1320 obiektów, i stwierdził, że osiem z nich powinno być jaśniejszych o kilka dziesiątych procenta, niż przewidywano na podstawie obserwacji sposobu, w jaki supernowe jaśnieją i bledną w czasie. Nie wykryto takiego rozjaśnienia.

Inni badacze przeprowadzili podobne, ale prostsze analizy, które przyniosły niejednoznaczne wyniki. Ale Zumalacárregui uwzględnił dokładne prawdopodobieństwo zobaczenia wszystkich wzmocnień a także niepewności w jasności i odległości każdej supernowej. Nawet w przypadku małomasywnych czarnych dziur (1% masy Słońca), powinno się zaobserwować wzmocnione supernowe, jednak nie ma ich wcale.

Nie można zobaczyć tego efektu na jednej supernowej, ale gdy wykorzysta się wszystkie analizy Bayesianowska, zacznie się nakładać bardzo mocne ograniczenia na ciemną materię, ponieważ zliczają się wszystkie supernowe i jest ich bardzo dużo. Im więcej supernowych jest uwzględnianych w analizie, tym dalej są one bardziej restrykcyjne. Dane dotyczące 1048 supernowych z katalogu Pantheon ustaliły jeszcze niższy górny limit – 23% – niż nowo opublikowana analiza.

Seljak opublikował pracę proponującą tego rodzaju analizę pod koniec lat ‘90 ubiegłego stulecia, ale kiedy zainteresowanie przeniosło się z poszukiwania dużych obiektów, MACHO, do poszukiwania cząsteczek podstawowych, w szczególności słabo oddziałujących masywnych cząstek, czyli WIPMów, plany kontynuacji wypadły z obiegu. Do tego czasu wiele eksperymentów wykluczyło większość mas i typów MACHO, pozostawiając niewiele nadziei na wykrycie takich obiektów.

W tym samym czasie odkryto tylko niewielką liczbę odległych supernowych typu Ia i zmierzono odległości do nich.

Dopiero po tym, jak obserwacje LIGO ponownie przywołały tę kwestię, Seljak i Zumalacárregui rozpoczęli skomplikowaną analizę, aby określić granice ciemnej materii.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Wykryto największą eksplozję w historii Wszechświata

Naukowcy badający odległą gromadę galaktyk odkryli największą eksplozję obserwowaną we Wszechświecie od czasów Wielkiego Wybuchu. Wybuch pochodził z supermasywnej czarnej dziury w centrum odległej o setki milionów lat świetlnych stąd galaktyki. W trakcie eksplozji zostało uwolnione pięć razy więcej energii, niż przy poprzednim ówczesnym najpotężniejszym wybuchu. Astronomowie dokonali tego odkrycia przy użyciu danych z obserwatorium rentgenowskiego Chandra i XMM-Newton, a także danych radiowych z Murchison Widefield Array (MWA) w Australii i Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) w Indiach. Ten potężny wybuch został wykryty w gromadzie galaktyk Ophiuchus, która znajduje się około 390 mln lat świetlnych stąd. Gromady galaktyk to największe struktury we Wszechświecie utrzymywane razem przez grawitację, zawierające tysiące pojedynczych galaktyk, ciemną materię i gorący gaz. W centrum gromady Ophiuchus znajduje się duża galaktyka zawierająca supermasywną czarną dziurę.

Odkryto najbliższą znaną „olbrzymią planetę niemowlęcą”

Nowonarodzona masywna planeta znajduje się zaledwie 100 parseków od Ziemi. Naukowcy odkryli nowonarodzoną masywną planetę bliższą Ziemi niż jakikolwiek tego typu obiekt w podobnym wieku. Olbrzymia niemowlęca planeta, nazwana 2MASS 1155-7919 b, znajduje się w asocjacji Epsilon Chamaeleontis i leży tylko około 330 lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego. „Ciemny, chłodny obiekt, który znaleźliśmy, jest bardzo młody i ma zaledwie 10 mas Jowisza, co oznacza, że prawdopodobnie patrzymy na planetę niemowlęcą, być może wciąż w fazie formowania się. Chociaż zostało odkrytych wiele innych planet podczas misji Kepler i innych podobnych, prawie wszystkie z nich są planetami ‘starymi’. Obiekt ten jest jednocześnie czwartym lub piątym przykładem planety olbrzymiej krążącej tak daleko od swojej gwiazdy macierzystej. Teoretycy usiłują wyjaśnić, w jaki sposób się tam uformowały lub jak tam dotarły” – powiedziała Annie Dickson-Vandervelde, główna autorka pracy. Do odkrycia naukowc

Czy rozwiązano tajemnicę ekspansji Wszechświata?

Badacz z Uniwersytetu Genewskiego rozwiązał naukową kontrowersję dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata, sugerując, że na dużą skalę nie jest ono całkowicie jednorodne. Ziemia, Układ Słoneczny, cała Droga Mleczna i kilka tysięcy najbliższych nam galaktyk porusza się w ogromnym „bąblu” o średnicy 250 mln lat świetlnych, gdzie średnia gęstość materii jest o połowę mniejsza niż w pozostałej części Wszechświata. Taka jest hipoteza wysunięta przez fizyka teoretyka z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) jako rozwiązanie zagadki, która od dziesięcioleci dzieli społeczność naukową: z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat? Do tej pory co najmniej dwie niezależne metody obliczeniowe osiągnęły dwie wartości różniące się o około 10% z odchyleniem, które jest statystycznie nie do pogodzenia. Nowe podejście usuwa tę rozbieżność bez korzystania z „nowej fizyki”. Wszechświat rozszerza się od czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu – propozycja po raz pierwszy przeds