Спутник НАСА может показать, являются ли первичные черные дыры темной материей

Главная цель спутника Кеплер, который был запущен NASA в марте 2009 года на орбиту Солнца, заключается в поиске планет земного типа в пределах Млечного пути. Но теперь команда физиков предложила вторую привлекательную цель: обнаружить или исключить первичные черные дыры (ПЧД) определенного массового диапазона, как основной составляющей части темной материи.

Ученые Kim Griest и Agnieszka Cieplak из Калифорнийского университета, Сан-Диего; Bhuvnesh Jain из университета Пенсильвании, и Matthew Lehner из Университета Пенсильвании и Академии Синика в Тайбэе, Тайвань, опубликовали свои исследования в недавнем выпуске журнала Physical Review Letters по использованию спутника Кеплера для обнаружения ПЧД темной материи.

Как объясняют ученые, ПЧД рассматриваются в качестве кандидатов на темную материю с 1970 года. Эти черные дыры, как полагают, сформировались во время ранней Вселенной из-за возмущения плотности, которые могли быть результатом целого ряда факторов, таких как инфляция, фазовые переходы, и, возможно, даже коллапса струнных петель. Поскольку нет единой теории того, как формируется ПЧД, ученые не знают, насколько массивные они должны быть. Тем не менее, предыдущие экспериментальные и теоретические работы ликвидировали большинство масс, в том числе почти весь диапазон масс от 10^-18 до 10¹⁶ солнечных масс, исключение составляют массы в диапазоне от 10^-13 и 10^-7 масс Солнца. Ученые называют эти 5 порядков "окном черной материи ПЧД".

В текущем исследовании, Griest и его соавторы считают, что данные Кеплера потенциально могут исключить значительную часть этого окна. В настоящее время, фотометр Кеплера измеряет интенсивность света звезд - около 150 тысяч различных звезд каждые 30 минут. При анализе данных, ученые ищут специфичные колебания звездного света, или звездного потока, так как уменьшение может свидетельствовать о вращении вокруг звезды планеты подобной Земле.

В своем исследовании физики показали, что фотометр Кеплера также может быть использован для обнаружения малых величин гравитационного линзирования, или "микролинзирования", заключающееся в отклонении звездного света, когда он проходит через пространство. Согласно общей теории относительности, изгиб происходит из-за тяжести невидимой массы, которая действует как «линза» и находится между источником света (звезда) и наблюдателем (спутник). Этот объектив может быть ПЧД или другим типом массивных компактных объектов, все из которых являются кандидатами темной материи.

По расчетам ученых, Кеплер смог обнаружить микролинзирования вызванные массами в диапазоне от 5 х 10^-4 и 10^-10 масс Солнца, что потенциально может позволить  исключить около 40% масс окна темной материи ПЧД, если не будет ничего найдено. Если события микролинзирования будут обнаружены, то, конечно, последствия будут более значительными: ПЧД может быть признаны темной материей.

Хотя другие исследования микролинзирования изучили десятки миллионов звезд в течение длительного периода времени, ученые объясняют, что Кеплер может обеспечить более сильные ограничения на темную материю в данном диапазоне масс, чем эти более ранние исследования. Преимущества Кеплера связаны с высокой точностью его фотометра, который позволяет разглядеть незначительные изменения.

Griest и его соавторы уже начали изучать данные Кеплера, которые являются общедоступными. Проанализировать данные будет непросто, так как это требует понимания сложных кривых блеска, ложных срабатываний и фоновых событий (таких, как звездные вспышки), и использования жестких критериев отбора.