Goleme crne rupe nastale u ranom svemiru ne mogu činiti znatan dio tamne tvari, pokazuje novi izračun fizičara iz Mainza i njihovih suradnika. Kada bi takvih objekata bilo dovoljno, njihov bi se utjecaj morao vidjeti u drevnom zračenju koje ispunjava svemir. Mjerenja ne pokazuju toliko snažan trag.
Riječ je o hipotetskim primordijalnim crnim rupama mase veće od približno 100 milijardi Sunčevih masa. Za tu krajnje masivnu skupinu u stručnoj se literaturi koristi kratica SLAB. Christopher Gerlach i suradnici u radu objavljenom 26. listopada u časopisu Physical Review Letters pokazuju da postojeća kozmološka opažanja snažno ograničavaju njihov mogući udio u tamnoj tvari.
Tamna tvar naziv je za sastavnicu svemira čiju prisutnost zaključujemo iz gravitacijskih učinaka, premda još ne znamo od čega se sastoji. Jedna je mogućnost da dio te nevidljive mase nije skriven u nepoznatim česticama, nego u crnim rupama. Novi rad provjerava mogu li najmasivnije među njima sadržavati znatan dio tamne tvari.
Crne rupe koje nisu nastale urušavanjem zvijezda
Primordijalne crne rupe razlikuju se od onih koje nastaju nakon smrti masivnih zvijezda. Prema toj hipotezi, nastale bi izravnim urušavanjem iznimno gustih područja ranog svemira, prije pojave prvih zvijezda. Njihovo postojanje još nije potvrđeno.
Takav način nastanka dopušta mnogo širi raspon masa nego urušavanje pojedine zvijezde. Primordijalne crne rupe različitih masa stoga se zasebno proučavaju kao mogući doprinos tamnoj tvari. Udio koji bi jedna skupina mogla činiti ne vrijedi nužno za drugu, jer njihovi učinci na okolinu nisu isti.
Objekti teži od 100 milijardi Sunaca bili bi premasivni da se smjeste unutar galaksija kao uobičajena sastavnica njihovih nevidljivih ovojnica. Ipak, raniji su radovi ostavljali mogućnost da izvan galaksija postoji populacija takvih crnih rupa koja bi sadržavala značajan dio ukupne tamne tvari. Upravo su tu mogućnost Gerlach i suradnici podvrgnuli novoj provjeri.
Kako se traži trag nečega što ne vidimo?
Istraživači nisu tražili svjetlost samih crnih rupa. Izračunali su kako bi njihov nastanak i raspored utjecali na kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, odnosno ostatak zračenja iz ranog svemira. Sitne razlike u njegovoj temperaturi i polarizaciji bilježe uvjete iz vremena prije nastanka galaksija.
U modelu nastanak crne rupe lokalno mijenja omjer materije i zračenja. Takve razlike nazivaju se izokurvaturnim poremećajima. U početku se veća gustoća crnih rupa može nadoknaditi manjom gustoćom zračenja, ali ta se ravnoteža mijenja širenjem svemira. Preostali gravitacijski učinak ostavlja prepoznatljiv trag u pozadinskom zračenju.
Autori su izračun usporedili s ograničenjima dobivenima iz mjerenja satelita Planck i podataka o barionskim akustičkim oscilacijama, tragovima ranih zvučnih valova u rasporedu materije. I konzervativniji od dvaju pristupa koje su primijenili daje isti zaključak: goleme primordijalne crne rupe ne mogu sadržavati znatan udio tamne tvari.
Što ostaje od ideje o crnim rupama i tamnoj tvari?
Ograničenje se odnosi na brojnost i ukupnu masu takve populacije. Ne znači da nijedna iznimno masivna primordijalna crna rupa ne bi mogla postojati, niti isključuje primordijalne crne rupe mnogo manjih masa. U cjelovitom radu autori navode da za nerotirajuće primordijalne crne rupe ostaje mali raspon asteroidnih masa u kojem bi, prema sadašnjim ograničenjima, još mogle činiti svu tamnu tvar.
Važno je razlikovati i dvije vrste provjere. Pitanje zahtijeva li model nastanka crnih rupa precizno podešavanje nije isto što i pitanje slaže li se njihova predviđena brojnost s opažanjima. Ovdje je presudno drugo: čak i ako se neki mehanizam nastanka može matematički opisati, brojnost crnih rupa koju predviđa mora se slagati s kozmološkim mjerenjima.
Za goleme primordijalne crne rupe dopušteni je udio sada znatno uži. Potraga za sastavom tamne tvari nastavlja se među drugim kandidatima i u drugim rasponima masa, dok ova analiza ograničava koliko su joj takvi golemi objekti uopće mogli pridonijeti.
