Badacze z zespołu OGLE z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego sprawdzili, czy ciemna materia w Drodze Mlecznej składa się z miniaturowych czarnych dziur. Okazuje się, że nie. Przebieg i rezultaty swoich badań naukowcy opublikowali w czasopiśmie „Astrophysical Journal Letters”.

Ponad 90 lat temu odkryto ciemną materię. Współczesne obserwacje astronomiczne wskazują, że stanowi ona 85% całkowitej masy Wszechświata. Ciemna materia nie emituje światła i oddziałuje wyłącznie za pośrednictwem grawitacji. Jej natura nadal pozostaje zagadką.

Według najbardziej popularnych hipotez ciemna materia składa się z nieznanych, słabo oddziałujących cząstek elementarnych. Jednak pomimo dekad wysiłków, żaden eksperyment (na czele z eksperymentami prowadzonymi za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów) nie wykrył śladów cząstek ciemnej materii.

Miniaturowe dziury w kosmosie

– W ostatnich latach coraz większe zainteresowanie wzbudziła hipoteza, że ciemna materia może składać się z miniaturowych czarnych dziur o średnicy kilkunastu centymetrów – mówi dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego UW, pierwszy autor publikacji.

Sądzi się, że pomimo pozornie niewielkich rozmiarów masy czarnych dziur mogą być zbliżone do mas planet znajdujących się w Układzie Słonecznym. To tak, jakby ścisnąć Neptuna do rozmiarów grejpfruta.

Miniaturowe czarne dziury (zwane również pierwotnymi czarnymi dziurami) mogły powstać na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata, zanim uformowały się pierwsze gwiazdy, a nawet pierwsze atomy. Mogły powstać w trakcie kosmicznej inflacji, czyli fazy szybkiego rozszerzania się młodego Wszechświata, lub jako skutek uboczny łączenia się cząstek elementarnych.

Czarna dziura dziewiątą planetą?

Znaczące ilości ciemnej materii znajdują się również w naszej Galaktyce, zwanej Drogą Mleczną. Gdyby hipoteza o miniaturowych czarnych dziurach była prawdziwa, to w otoczeniu Słońca – w sześcianie o boku jednego roku świetlnego – znajdowałoby się co najmniej kilka takich obiektów. Być może jeden znajduje się nawet w Układzie Słonecznym. W 2019 roku dwaj fizycy-teoretycy, Jakub Scholtz i James Unwin, wysunęli hipotezę, że Dziewiąta Planeta, której istnienie jest postulowane na podstawie obserwacji ruchu odległych obiektów transneptunowych, to właśnie taka miniaturowa czarna dziura.

Gdyby ciemna materia w znaczącej części składała się z miniaturowych czarnych dziur, to wywoływałaby potencjalnie obserwowalne skutki, pomimo że dziur nie można dostrzec bezpośrednio. Takim skutkiem mogłoby być np. zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

– Mikrosoczewkowanie zachodzi, kiedy światło odległej gwiazdy zostaje ugięte i wzmocnione przez grawitację bliższego obiektu zwanego soczewką – mówi prof. Andrzej Udalski z Obserwatorium Astronomicznego UW, lider projektu OGLE.

Ze względu na to, że efekt nie zależy od jasności obiektu (soczewki), metoda ta pozwala na wykrywanie ciemnych, nieświecących ciał, wymykających się tradycyjnym metodom detekcji.

Eksperyment naukowców z UW

W celu zweryfikowania hipotezy o miniaturowych czarnych dziurach astronomowie z projektu OGLE zaprojektowali i przeprowadzili eksperyment. Przez dwa sezony obserwacyjne (od października 2022 do kwietnia 2024) mierzyli jasność około 35 mln gwiazd znajdujących się w dwóch sąsiednich galaktykach, zwanych Wielkim i Małym Obłokiem Magellana. Obserwacje były prowadzone przy użyciu Teleskopu Warszawskiego znajdującego się w Obserwatorium Las Campanas w Chile. Każda badana gwiazda była wielokrotnie (nawet 20 razy) fotografowana każdej pogodnej nocy w trakcie trwania eksperymentu.

– Wysoka częstość obserwacji była tu kluczowa. Zjawiska mikrosoczewkowania wywołane przez miniaturowe czarne dziury trwałyby zaledwie po kilka godzin. Znacznie trudniej je wykryć niż zjawiska spowodowane przez zwyczajne gwiazdy, których długość waha się od tygodni do miesięcy – tłumaczy dr Przemysław Mróz.

Obliczenia przeprowadzone przez naukowców pokazały, że gdyby cała ciemna materia składała się z miniaturowych czarnych dziur o masach planet, to badacze powinni wykryć ponad 2 500 krótkich zjawisk mikrosoczewkowania. Tymczasem analiza zebranych obserwacji ujawniła tylko jedno zjawisko, trwające kilka miesięcy.

Powyższe wyniki, w połączeniu z analizami opublikowanymi przez zespół w czerwcu tego roku w czasopiśmie Nature, pokazują, że pierwotne czarne dziury o masach w bardzo szerokim zakresie (od tych mniejszych od Księżyca po olbrzymie czarne dziury kilkaset razy bardziej masywne niż Słońce) mogą co najwyżej stanowić niewielki ułamek ciemnej materii w Drodze Mlecznej.