Тёмная материя - это невидимая субстанция, которая, по оценкам, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Что именно её образует, физики не знают до сих пор, хотя ищут десятилетиями. Одна из гипотез связывает её с первичными чёрными дырами - объектами, которые могли возникнуть не при коллапсе звёзд, а напрямую из плотных сгустков вещества в первые мгновения после Большого взрыва.

Особый интерес вызывают так называемые "чудовищно огромные" первичные чёрные дыры - каждая массой не менее 100 миллиардов солнечных. Это больше самых крупных сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, включая Млечный Путь. Если бы такие объекты существовали в достаточном количестве, они могли бы объяснить значительную долю тёмной материи.

Однако новые расчёты Николаса Лейстера из Института теоретической физики в Майнце и его коллег показывают: даже если эти исполины реальны, заметной частью тёмной материи они быть не могут. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Исследователи проверили гипотезу с нового ракурса. Если первичные чёрные дыры разбросаны по космосу случайно, то в одних областях их по чистой случайности окажется больше, в других - меньше. Поначалу избыток чёрных дыр компенсировался бы нехваткой излучения. Но по мере расширения Вселенной излучение разрежалось, и баланс нарушался. В итоге плотность тёмной материи относительно излучения становилась бы неоднородной - "пятнистой".

Рассчитав силу таких колебаний, команда сравнила прогноз с ограничениями, которые дают измерения реликтового излучения - слабого микроволнового фона, оставшегося от Большого взрыва. Этот сигнал позволяет судить о распределении галактик в масштабах всей Вселенной. Чем меньше и тяжелее чёрные дыры, тем неравномернее их случайное распределение.

Анализ показал: многочисленная популяция чудовищно огромных первичных чёрных дыр сделала бы соотношение тёмной материи и излучения слишком неоднородным. Такая пятнистость оставила бы характерные следы в реликтовом излучении, но в реальном сигнале их нет. Это ставит под сомнение и идею, будто первичные чёрные дыры помогли зародиться неожиданно массивным ранним галактикам, замеченным телескопом "Джеймс Уэбб".

Авторы не исключают первичные чёрные дыры такой массы полностью. Расчёты исходили из того, что все они весят одинаково, поэтому варианты с широким разбросом масс ещё предстоит изучить. Тем не менее получены жёсткие новые ограничения на то, какую долю тёмной материи могут составлять такие объекты.

Будущие эксперименты по изучению реликтового излучения, включая LiteBIRD и Simons Observatory, по прогнозу исследователей, сделают эти ограничения ещё строже. Учёные также надеются распространить анализ на более тяжёлые чёрные дыры, ища гравитационные волны, которые должны были возникать при их формировании. Вместе эти усилия помогут сузить поиски истинной природы тёмной материи.

Источник: Phys.org