Jedną z największych zagadek współczesnej astronomii jest wyjaśnienie pochodzenia czarnych dziur odkrywanych przez detektory fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. Wyniki dwudziestoletnich obserwacji prowadzonych w ramach projektu OGLE przez naukowców z Obserwatorium Astronomicznego UW zostały opisane na łamach czasopism „Nature” i „Astrophysical Journal Supplement Series”.

Według jednej z hipotez czarne dziury znalezione dzięki detektorom fal grawitacyjnych powstały w bardzo młodym Wszechświecie. Oprócz emisji fal grawitacyjnych tworzą one zagadkową ciemną materię wypełniającą kosmos. Badania przeprowadzone przez naukowców z Obserwatorium Astronomicznego (OA) Uniwersytetu Warszawskiego w ramach projektu OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) wykazały, że tego typu czarne dziury mogą stanowić zaledwie znikomy procent ciemnej materii, dlatego należy szukać innych wytłumaczeń pochodzenia źródeł fal grawitacyjnych.

Zagadka ciemnej materii

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 tzw. ciemnej materii, nieświecącej i oddziaływującej wyłącznie za pośrednictwem grawitacji.

– Natura ciemnej materii pozostaje wielką zagadką. Większość naukowców uważa, że składa się ona z nieznanych cząstek elementarnych. Problem w tym, że pomimo wielu dekad wysiłków żadne eksperymenty, na czele z eksperymentami prowadzonymi za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów, nie doprowadziły do odkrycia nowych cząstek, które mogłyby tworzyć ciemną materię – wyjaśnia dr Przemysław Mróz z OA UW, pierwszy autor publikacji w „Nature” i „Astrophysical Journal Supplement Series”.

Od 2015 roku, gdy dokonano pierwszej bezpośredniej obserwacji fal grawitacyjnych pochodzących od pary łączących się czarnych dziur, detektory LIGO i Virgo odkryły ponad dziewięćdziesiąt kolejnych takich zjawisk. Zauważono, że czarne dziury znajdowane za pomocą fal grawitacyjnych są znacznie bardziej masywne (typowo 20–100 mas Słońca) niż te znane wcześniej w Drodze Mlecznej (typowo 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 wyjaśnień tego zjawiska zasugerowano, że detektory fal grawitacyjnych znajdują tzw. pierwotne czarne dziury (primordial black holes), które mogłyby powstać na bardzo wczesnych etapach ewolucji Wszechświata.

– Wiemy, że młody Wszechświat nie był idealnie gładki – niewielkie fluktuacje gęstości dały początek obecnym galaktykom i gromadom galaktyk – tłumaczy dr Mróz. – Podobne fluktuacje gęstości, jeżeli miałyby dostatecznie dużą amplitudę, mogłyby się zapaść pod własnym ciężarem i utworzyć czarne dziury. Co więcej, 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 – dodaje.

Jak wskazują badacze, hipotezę tę można zweryfikować za pomocą obserwacji astronomicznych. Wiadomo, że duże ilości ciemnej materii znajdują się również w naszej Drodze Mlecznej. Przy założeniu, że ciemna materia składa się z masywnych czarnych dziur powinny być one wykrywane w naszym najbliższym kosmicznym otoczeniu. Problem polega jednak na tym, że czarne dziury nie świecą.

Mikrosoczewkowanie

Analizę zjawiska umożliwia ogólna teoria względności, sformułowana po raz pierwszy przez Alberta Einsteina, która przewiduje, że światło odległych gwiazd może być ugięte w polu grawitacyjnym masywnych obiektów. To tzw. zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

– Mikrosoczewkowanie zachodzi, jeżeli trzy obiekty: obserwator, źródło światła i obiekt-soczewka, ustawią się niemal dokładnie w jednej linii w przestrzeni. Światło źródła może zostać ugięte i znacznie wzmocnione, obserwujemy jego tymczasowe pojaśnienie. Czas trwania pojaśnienia zależy od masy soczewkującego obiektu. Im większa masa, tym dłuższe zjawiska mikrosoczewkowania. W przypadku gwiazd o masie Słońca pojaśnienia trwają zwykle kilka miesięcy, w przypadku czarnych dziur stukrotnie większych niż Słońce powinny trwać nawet kilka lat – mówi prof. Andrzej Udalski, lider projektu OGLE.

Dwadzieścia lat obserwacji

W najnowszej publikacji w „Astrophysical Journal Supplement” astronomowie z projektu OGLE prezentują wieloletnie obserwacje około 80 mln gwiazd znajdujących się w sąsiedniej galaktyce, zwanej Wielkim Obłokiem Magellana i analizują występowanie zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego w tym kierunku. Dane pochodzą z trzeciej i czwartej fazy projektu OGLE i zostały zebrane w latach 2001–2020.

– To najdłuższy, największy i najdokładniejszy ciąg czasowy obserwacji fotometrycznych Wielkiego Obłoku Magellana zebranych w historii współczesnej astronomii – podkreśla prof. Udalski.

W równoległej pracy opublikowanej w czasopiśmie „Nature” przedstawione są astrofizyczne konsekwencje uzyskanych rezultatów tych unikalnych obserwacji.

– 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 – tłumaczy dr Przemysław Mróz.

Astronomowie znaleźli w danych OGLE trzynaście 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 przez czarne dziury.

– Wskazuje to, że masywne czarne dziury mogą stanowić co najwyżej niewielki ułamek ciemnej materii – podsumowuje dr Mróz.

Szczegółowe obliczenia badaczy pokazują, że czarne dziury o masie 10 mas Słońca mogą stanowić co najwyżej 1,2% ciemnej materii, 100 mas Słońca – 3% ciemnej materii, 1000 mas Słońca – 11% ciemnej materii.

– Nasze obserwacje dowodzą, że pierwotne czarne dziury nie mogą jednocześnie być źródłami fal grawitacyjnych i tworzyć znaczącej części ciemnej materii – mówi prof. Andrzej Udalski.

Naukowcy podkreślają, że znacznie bardziej prawdopodobne są inne wyjaśnienia dużych mas czarnych dziur odkrywanych przez LIGO i Virgo. Jedna z takich hipotez zakłada, że powstały one w wyniku ewolucji masywnych gwiazd o niskiej zawartości ciężkich pierwiastków. Według innej hipotezy masywne czarne dziury powstały w wyniku łączenia się mniejszych obiektów w obszarach gęstych w gwiazdy (jak na przykład gromady kuliste).