Объекты массой от 100 млрд масс Солнца должны были оставить в ранней Вселенной след, которого нет в данных
Физики закрыли ещё одно окно для поиска тёмной материи: первичные чёрные дыры исключительно большой массы (SLAB, Stupendously Large Black Holes). Согласно исследованию, такие объекты не могли составлять значительную долю тёмной материи. Речь идёт о первичных чёрных дырах массой от 100 млрд солнечных масс. Их существование само по себе авторы не исключают, но отвергают возможность объяснить ими существенную часть невидимой массы Вселенной.
Учёные проверили, какие следы такие чёрные дыры должны были оставить в реликтовом излучении — микроволновом излучении ранней Вселенной, возникшем примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Если первичные чёрные дыры составляют заметную долю тёмной материи, то их дискретное распределение создаёт дополнительные неоднородности плотности. Сначала они компенсируются недостатком излучения в тех же областях, но по мере расширения Вселенной эта компенсация ослабевает. Возникающие возмущения должны влиять на реликтовое излучение.
Плотная область группы галактик COSMOS-Gr30, расположенная в 6,5 миллиардах световых лет от Земли Источник изображения: ESO/T. Contini (IRAP, Toulouse), B. Epinat (LAM, Marseille)
Эти возмущения сопоставили с ограничениями, полученными по данным космической обсерватории Planck и наблюдениям барионных акустических осцилляций (BAO) — характерных масштабов распределения галактик, сохранившихся со времён ранней Вселенной. Результат оказался несовместим с гипотезой о значительной доле SLAB в составе тёмной материи: предсказываемые возмущения превышают допустимый уровень. Авторы получили ограничения для первичных чёрных дыр в диапазоне масс от 10⁸ до 10¹⁹ масс Солнца. Основной вывод о SLAB относится к объектам тяжелее 10¹¹ масс Солнца.
Результаты затрагивают и другие гипотезы о роли первичных чёрных дыр в эволюции Вселенной. В частности, они ставят под сомнение объяснение появления массивных галактик на ранних этапах истории Вселенной, кандидатов в которые обнаружил телескоп «Джеймс Уэбб»: в одной из моделей предполагалось, что возмущения, созданные первичными чёрными дырами, ускорили формирование таких галактик. Кроме того, авторы усиливают аргументы против гипотезы, согласно которой слияния первичных чёрных дыр создают обнаруживаемый массивами миллисекундных пульсаров фоновый сигнал гравитационных волн в наногерцовом диапазоне.
При этом работа не закрывает вопрос о природе тёмной материи и не исключает все первичные чёрные дыры. Расчёты основаны на предположении, что у них одна характерная масса, а не широкий диапазон масс. Авторы отдельно указывают на необходимость проверить более сложные распределения. Новые ограничения в будущем смогут уточнить эксперименты по измерению реликтового излучения, включая LiteBIRD и Simons Observatory. Поиск тёмной материи продолжается, но один из наиболее экзотических вариантов её происхождения получил серьёзное ограничение.
