“Первичные черные дыры (PBHS) на данный момент остаются гипотетическими объектами”, — говорит Альвизе Ракканелли из ЦЕРНА. “Первоначально предложенные Стивеном Хокингом в 1971 году, они вернулись на первый план в последние годы в качестве возможных кандидатов для объяснения темной материи. Считается, что темная материя составляет примерно 80 процентов всей материи, присутствующей во Вселенной, поэтому объяснить даже небольшую ее часть было бы большим достижением. Поиск доказательств существования PBHS или исключение их существования дает нам информацию о физике изначальной вселенной”.
В плотном переплетении космической паутины ученые сосредоточились на так называемом лесу Лайман-альфа, взаимодействиях фотонов с водородом космических нитей, которые раскрывают характеристики, тесно связанные с фундаментальной природой темной материи. Холодные нейтральные атомы водорода содержат один электрон, находящийся в основном состоянии n = 1, но электрон может быть возбужден до орбиты n = 2, если атом водорода поглощает фотон с длиной волны 121,6 нм, линия Лаймана-альфа.
Из-за расширения Вселенной дальние очаги водородного газа, которые поглощают альфа-фотоны Лаймана, краснеют до более длинных длин волн. Несколько очагов водорода вдоль одной и той же линии обзора, но на разных расстояниях, и, следовательно, различные красные смещения будут выглядеть как “лес” линий поглощения Лаймана-альфа. Различные космологические модели предсказывают различные расстояния и глубины линий поглощения Лаймана-альфа. В частности, новое исследование, подробное ниже, предполагает, что популяция первичных черных дыр может произвести отчетливый узнаваемый признак в лесу Лайман-альфа.
Изображение ниже из моделирования EAGLE, моделирования вселенной, показывает контекст формирования одной галактики в крупномасштабной космической сети. Недавнее исследование предполагает, что ранние галактики могут образовываться из холодного газа, который накапливается в космической паутине. (Консорциум Virgo, Шайе и др.)
Квазар (PKS 2349, показанный в верхней части страницы, находится в 1,5 миллиардах световых лет от Земли) являются самыми яркими объектами во Вселенной, которые обеспечивают задний свет для освещения промежуточного газообразного водорода, который заполняет вселенную между нами и ними. Мы можем видеть их тени и детали в их тенях-в частности, особенности поглощения в их спектрах, известных как лес Лайман-альфа. Что удивительно, говорит Риккардо Мурджиа, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, так это то, что это позволяет нам видеть Вселенную так далеко.
“Мы протестировали сценарий, в котором темная материя состоит из незвездных черных дыр, образовавшихся в изначальной вселенной”, — говорит Мурджиа. Исследование проводилось совместно с его коллегами Джулио Шельфо и Маттео Виелем из Международной школы перспективных исследований СИССА и Национального института ядерной физики (Триестский отдел) и Альвизе Ракканелли из ЦЕРНА.
Моделирование, проведенное с помощью суперкомпьютера Ulysses компании SISSA и ICTP, позволило воспроизвести взаимодействие между фотонами и водородом. Модели были сопоставлены с реальными взаимодействиями, обнаруженными телескопом Кека на Гавайях. Затем исследователи смогли проследить несколько свойств первичных черных дыр, чтобы понять эффекты их присутствия.
“Мы использовали компьютер для моделирования распределения нейтрального водорода в субгалактических масштабах, которое проявляется в виде линий поглощения в спектрах удаленных источников”, — говорит Мурджиа. “Сравнивая результаты нашего моделирования с наблюдаемыми данными, можно установить пределы массы и обилия первичных черных дыр и определить, составляют ли и в какой степени такие кандидаты темную материю”.
Результаты исследования, по-видимому, ограничивают тот факт, что вся темная материя состоит из определенного типа первичных черных дыр (тех, масса которых более чем в 50 раз превышает массу Солнца), но они не полностью исключают, что они могут составлять ее часть.
“Мы разработали новый способ легко и эффективно исследовать альтернативные сценарии стандартной космологической модели, согласно которой темная материя вместо этого будет состоять из слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs)”.
Эти результаты, важные для построения новых теоретических моделей и для разработки новых гипотез о природе темной материи, предлагают гораздо более точные указания для прослеживания сложного пути к пониманию одной из непреходящих тайн космоса.
