"Jedna z największych zagadek współczesnej astronomii". W jej rozwikłaniu pomogli Polacy

Materia, którą możemy zaobserwować lub dotknąć, stanowi zaledwie niewielki wycinek całkowitej masy i energii Wszechświata - około 5 procent. W samej Drodze Mlecznej, na kilogram materii zawartej w gwiazdach przypada 15 kg "ciemnej materii", nieświecącej i oddziałującej wyłącznie za pośrednictwem grawitacji. Jej natura pozostaje zagadką, a według niektórych hipotez może ona składać się z nieznanych cząstek elementarnych. Mimo wielu dekad badań, żadne eksperymenty nie doprowadziły do odkrycia cząstek, które mogą ją tworzyć.

Jedna z hipotez mówi, że czarne dziury, pochodzące ze wczesnych etapów ewolucji Wszechświata, mogłyby odpowiadać przynajmniej za część, jeśli nie całość, jego ciemnej materii. Pierwotnymi czarnymi dziurami mogą być chociażby obiekty znajdowane za pomocą fal grawitacyjnych przez detektory LIGO i Virgo. Są one znacznie bardziej masywne (typowo 20-100 mas Słońca), niż te znane wcześniej w Drodze Mlecznej (typowo 5-20 mas Słońca), co zastanawia naukowców. Hipotezie tej przyjrzeli się badacze z Uniwersytetu Warszawskiego.

- Wyjaśnienie, dlaczego te dwie populacje czarnych dziur tak bardzo się różnią, jest jedną z największych zagadek współczesnej astronomii - przekazał prowadzący badania dr Przemek Mróz z Obserwatorium Astronomicznego UW.

Wyniki badań przedstawiono w poniedziałek w dwóch publikacjach naukowych - jedna ukazała się w czasopiśmie "Nature", a druga w "Astrophysical Journal Supplement Series". Zaprezentowano w nich wnioski z obserwacji w ramach projektu OGLE prowadzonych w latach 2001-2020. Dotyczą one 80 milionów gwiazd z Wielkiego Obłoku Magellana.

W jaki sposób możemy zaobserwować obiekty, które nie świecą? Z pomocą przychodzi zjawisko mikrosoczewkowania grawitacyjnego. To zdarzenie wynikające z ogólnej teorii względności Einsteina, która przewiduje, że światło odległych gwiazd może być ugięte w polu grawitacyjnym masywnych obiektów. W latach 90 powstały trzy eksperymenty badające mikrosoczewkowanie - polski OGLE, amerykański MACHO i francuski EROS.

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

Parametry zjawiska są zależne od masy niewidocznego obiektu, który spowodował zjawisko, im większa masa, tym zjawisko trwa dłużej. W przypadku gwiazd o masie Słońca pojaśnienia trwają zwykle kilka miesięcy, w przypadku czarnych dziur stukrotnie większych niż Słońce - nawet kilka lat.

Wyniki otrzymane w pierwszych fazach OGLE, MACHO i EROS wskazywały, że czarne dziury o masach mniejszych niż jedna masa Słońca mogą stanowić co najwyżej 10 procent ciemnej materii. Obserwacje te nie były jednak czułe na kilkuletnie zjawiska mikrosoczewkowania, a więc na masywne czarne dziury, które teraz odkrywa się za pomocą fal grawitacyjnych.

W opublikowanych pracach przedstawione są astrofizyczne konsekwencje uzyskanych rezultatów tych unikalnych obserwacji. Wynika z nich, że gdyby cała ciemna materia składała się z czarnych dziur o masie 10 mas Słońca, to naukowcy powinni wykryć 258 zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Gdyby czarne dziury miały po 100 mas Słońca, wtedy zjawisk mikrosoczewkowania powinno być 99, a dla czarnych dziur mających po 1000 mas Słońca już tylko 27.

Tymczasem w danych OGLE znaleziono 13 takich zjawisk. Na dodatek większość z nich trwała mniej niż 100 dni i zapewne były spowodowane przez normalne gwiazdy w Drodze Mlecznej lub Wielkim Obłoku Magellana. Na tej podstawie oszacowano, że czarne dziury o masie 10 mas Słońca mogą stanowić co najwyżej 1,2 procent ciemnej materii, 100 mas Słońca - 3 procent ciemnej materii, 1000 mas Słońca - 11 procent ciemnej materii.

- Nasze obserwacje dowodzą więc, że pierwotne czarne dziury nie mogą jednocześnie być źródłami fal grawitacyjnych i tworzyć znaczącej części ciemnej materii - tłumaczył Udalski.

Znacznie bardziej prawdopodobne są więc 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, masywne czarne dziury powstały w wyniku łączenia się mniejszych obiektów w obszarach gęstych w gwiazdy.

W ramach projektu OGLE regularne obserwacje fotometryczne prowadzone są od ponad 32 lat. Jednym z pierwszych celów naukowych przeglądu OGLE było odkrycie i badanie zjawisk mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Obecnie prowadzone badania dotyczą wielu dziedzin współczesnej astrofizyki - poszukiwania planet pozasłonecznych, badania struktury i ewolucji Drogi Mlecznej i sąsiednich galaktyk, gwiazd zmiennych, kwazarów, zjawisk przejściowych (gwiazd nowych, supernowych).