Czy czarne dziury tworzą ciemną materię? Polscy astronomowie podważają głośną hipotezę

W tym artykule:

1. O czym informują nas fale grawitacyjne?
2. Czym jest ciemna materia?
3. Hipoteza pochodzenia ciemnej materii
4. Czym są pierwotne czarne dziury?
5. Jak znaleźć ciemną materię?
6. Czym jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne?
7. Dane obalające hipotezę powstania ciemnej materii

Ten temat łączy w sobie kilka najbardziej kluczowych, a jednocześnie najbardziej zagadkowych kwestii współczesnej astrofizyki. Mowa o falach grawitacyjnych, wczesnym Wszechświecie, pierwotnych czarnych dziurach, a także o tajemniczej ciemnej materii, której istnienie wciąż tylko postulujemy.

O czym informują nas fale grawitacyjne?

Fale grawitacyjne to „zmarszczki” na czasoprzestrzeni. Są generowane przez zderzanie się obiektów o niewyobrażalnej grawitacji, jak dwie czarne dziury lub czarna dziura i gwiazda neutronowa. Istnienie fal grawitacyjnych wynika z ogólnej teorii względności sformułowanej przez Alberta Einsteina. W tej chwili fale grawitacyjne są badane dzięki możliwościom dwóch detektorów: europejskiego, znajdującego się nieopodal Pizy Virgo oraz amerykańskiego, potężnego detektora LIGO.

Odkąd w 2015 roku udało się po raz pierwszy potwierdzić istnienie fal grawitacyjnych, ten rodzaj astronomii zyskał nie tylko wielu zwolenników. Miał mieć umożliwić znalezienie odpowiedzi na inne, skomplikowane pytania astronomiczne. Jak to o ciemną materię.

Czym jest ciemna materia?

Mianem ciemnej materii określa się nieemitującą i nieodbijającą promieniowania elektromagnetycznego hipotetyczną formę materii. Ma ona stanowić 27% Wszechświata. Jej istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nią efekty grawitacyjne. Obserwacje astronomiczne wskazują, że zwyczajna materia, którą możemy dotknąć lub zobaczyć, stanowi zaledwie 5% całkowitej masy i energii całego Wszechświata. W Drodze Mlecznej na 1 kg materii zawartej w gwiazdach przypada 15 kg ciemnej materii.

– Natura ciemnej materii pozostaje wielką zagadką. Większość naukowców uważa, że składa się ona z nieznanych cząstek elementarnych – mówi dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego, pierwszy autor publikacji w „Nature”. – Problem w tym, że pomimo wielu dekad wysiłków, żaden eksperyment, na czele z eksperymentami prowadzonymi za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów, nie doprowadziły do odkrycia nowych cząstek, które mogłyby tworzyć ciemną materię – dodaje.

Hipoteza pochodzenia ciemnej materii

Z drugiej strony, tuż po udanej detekcji fal grawitacyjnych pojawiły się teorie mówiące, że wykryty przez LIGO podwójny układ czarnych dziur może być sygnaturą ciemnej materii. Pomysł ten, zaproponowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego, miał wielu zwolenników. Na czym konkretnie polega?

Zacznijmy od tego, że czarne dziury znajdowane za pomocą fal grawitacyjnych są znacznie masywniejsze (średnio 20–100 mas Słońca) niż te znane wcześniej w Drodze Mlecznej (średnio 5–20 mas Słońca). – Wyjaśnienie dlaczego te dwie populacje czarnych dziur tak bardzo się różnią jest jedną z największych zagadek współczesnej astronomii – mówi dr Mróz.

W jednym z możliwych rozwiązań tej zagadki zasugerowano, że detektory fal grawitacyjnych znajdują tzw. pierwotne czarne dziury (primordial black holes), które mogłyby powstać na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Istnienie pierwotnych czarnych dziur postulował ponad pół wieku temu słynny brytyjski fizyk-teoretyk Stephen Hawking i, niezależnie, radziecki fizyk Jakow Zeldowicz.

Czym są pierwotne czarne dziury?

Te pierwotne czarne dziury miały powstać na samym początku Wszechświata z zagęszczenia „zupy” cząstek elementarnych. Mniejsze zagęszczenia miały powołać do życia pierwsze gwiazdy i galaktyki. Z kolei wielkie zagęszczenia miały od razu zapaść się do czarnych dziur.

– Uważa się, że pierwotne czarne dziury powstały kiedy Wszechświat był bardzo młody, a zarazem bardzo gęsty i gorący. Nie istniały wtedy atomy, ani nawet będące budulcami atomów protony i neutrony. Materia istniała w formie „zupy” cząstek elementarnych, kwarków i leptonów. Kwantowe fluktuacje gęstości w tej „zupie” dały początek pierwszym galaktykom i gwiazdom. Jeżeli zagęszczenia materii były wystarczająco duże, to mogły się zapaść pod własnym ciężarem i utworzyć pierwotne czarne dziury – tłumaczy dr Mróz.

I dodaje: – Pierwotne czarne dziury mogą mieć praktycznie dowolną masę. Nic jej nie ogranicza. Istnieją nawet hipotezy mówiące, że mogą mieć również masy planetarne, na przykład zbliżone do masy Ziemi. Ponieważ promień czarnej dziury zależy od masy (im mniejsza masa, tym mniejszy promień), to taka pierwotna czarna dziura o masie Ziemi miałaby promień zaledwie 1 cm – wyjaśnia główny autor opublikowanego właśnie artykułu.

Jak znaleźć ciemną materię?

Ale co to ma wspólnego z ciemną materią? Otóż 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. Tę hipotezę właśnie zweryfikowali astronomowie z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego.

Założyli, że jeśli ciemna materia składa się z masywnych czarnych dziur, to można spodziewać się jej w naszym najbliższym kosmicznym otoczeniu. Tylko jak je wykryć, skoro czarne dziury nie świecą? I w tym miejscu wracamy do ogólnej teorii względności Einsteina. Przewiduje ona, że światło odległych gwiazd może być ugięte w polu grawitacyjnym masywnych obiektów. Nazywamy to zjawisko mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym.

Czym jest mikrosoczewkowanie grawitacyjne?

– Mikrosoczewkowanie zachodzi, jeżeli trzy obiekty – obserwator, źródło światła i obiekt-soczewka – ustawią się niemal dokładnie w jednej linii w przestrzeni – mówi prof. Andrzej Udalski, lider projektu OGLE. – Światło źródła może zostać ugięte i znacznie wzmocnione. Obserwujemy wówczas jego tymczasowe pojaśnienie – dodaje.

W opublikowanym właśnie na łamach „Astrophysical Journal Supplement” artykule, astronomowie z projektu OGLE prezentują niemal dwudziestoletnie obserwacje około 80 milionów gwiazd znajdujących się w sąsiedniej galaktyce, zwanej Wielkim Obłokiem Magellana. Analizują występowanie zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego w tym kierunku. Dane pochodzą z trzeciej i czwartej fazy projektu OGLE i zostały zebrane w latach 2001–2020. Równolegle analizują je w publikacji „Nature”.

Dane obalające hipotezę powstania ciemnej materii

Co te dane mówią nam o ciemnej materii pochodzącej z czarnych dziur? – Gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masie 10 mas Słońca, powinniśmy byli wykryć łącznie 258 zjawisk mikrosoczewkowania. W przypadku czarnych dziur o masie 100 mas Słońca – 99 zjawisk, 1000 mas Słońca – 27 zjawisk – komentuje dr Mróz.

Tymczasem astronomowie znaleźli w danych OGLE zaledwie 13 zjawisk mikrosoczewkowania. Co więcej, większość z nich była stosunkowo krótka, trwała mniej niż 100 dni. Ich szczegółowa analiza wykazała, że wszystkie mogły być spowodowane przez zwykłe gwiazdy w dysku Drogi Mlecznej lub w samym Wielkim Obłoku Magellana, a nie czarne dziury.

– Nasze obserwacje dowodzą więc, że masywne pierwotne czarne dziury nie mogą jednocześnie być źródłami fal grawitacyjnych i tworzyć znaczącej części ciemnej materii – podsumowuje prof. Udalski. Oznacza to, że choć hipoteza kalifornijskich badaczy była naprawdę chwytliwa, to analizy astronomów pracujących w projekcie OGLE całkowicie ją obaliły.

Źródła: Nature, Astrophysical Journal Supplement Series.

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.