În februarie 2016, oamenii de știință care lucrează pentru Observatorul Laser Interferometru Gravitational-Wave (LIGO) au făcut istorie când au anunțat prima detectare a undelor gravitaționale. Din acel moment, au avut loc mai multe detecții și colaborări științifice între observatoare - cum ar fi Advanced LIGO și Advanced Virgo - permit realizarea unor niveluri fără precedent de sensibilitate și schimb de date.
Acest eveniment nu numai că a confirmat o prezicere veche de un secol făcută de teoria lui Einstein despre relativitatea generală, dar a dus și la o revoluție în astronomie. De asemenea, a stârnit speranțele unor oameni de știință care au crezut că găurile negre ar putea reprezenta „masa lipsă” a Universului. Din păcate, un nou studiu realizat de o echipă de fizicieni din UC Berkeley a arătat că găurile negre nu sunt sursa căutată de multă vreme de Dark Matter.
Studiul lor, „Limitele obiectelor compacte de masă stelară ca materie întunecată din lentilele gravitaționale de tip Ia Supernovee”, au apărut recent în Scrisori de revizuire fizică. Studiul a fost condus de Miguel Zumalacarregu, Marie Curie Global Fellow la Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), cu sprijinul lui Uros Seljak - profesor de cosmologie și co-director al BCCP.
Cu alte cuvinte, Dark Matter rămâne unul dintre cele mai evazive și mai supărătoare mistere cu care se confruntă astăzi astronomi. În ciuda faptului că cuprinde 84,5% din materie în Univers, toate încercările de descoperire a acesteia au eșuat până acum. S-au propus mulți candidați, variind de la particule (axiuni) ultraligere la particule masive cu interacțiune slabă (WIMPS) și obiecte Halo Compact (MACHO) masive.
Cu toate acestea, acești candidați variază în masă de un ordin de 90, pe care mai mulți teoreticieni au încercat să-l rezolve propunând că ar putea exista mai multe tipuri de materie întunecată. Totuși, acest lucru ar necesita explicații diferite pentru originile lor, ceea ce ar complica și mai mult modelele cosmologice. După cum a explicat Miguel Zumalacárregui într-un recent comunicat de presă al UC Berkeley:
„Îmi imaginez că este vorba de două tipuri de găuri negre, foarte grele și foarte ușoare sau de găuri negre și particule noi. Dar, în acest caz, una dintre componente este o ordine de mărime mai grea decât cealaltă și trebuie să fie produse în abundență comparabilă. Am trece de la ceva astrofizic la ceva care este cu adevărat microscopic, poate chiar cel mai ușor lucru din univers și care ar fi foarte greu de explicat. ”
În scopul studiului lor, echipa a efectuat o analiză statistică a 740 dintre cele mai strălucite supernove descoperite (din 2014) pentru a determina dacă oricare dintre ele a fost mărită sau strălucită de prezența unei găuri negre interveniente. Acest fenomen, în care forța gravitațională a unui obiect mare mărește lumina provenită de la obiecte mai îndepărtate este cunoscută sub numele de „lentile gravitaționale”.
Practic, dacă găurile negre ar fi forma dominantă a materiei în Univers, atunci supernovele mărite gravitațional ar apărea destul de frecvent din cauza găurilor negre primordiale. Se crede că aceste forme ipotetice de gaură neagră s-au format în primele câteva milisecunde după Big Bang în anumite părți ale Universului, unde masa a fost concentrată la zeci sau sute de mase solare, provocând formarea celor mai vechi găuri negre.
Prezența acestei populații cu găuri negre, precum și a oricăror obiecte masive compacte, s-ar îndoi gravitațional și mări lumina de la obiectele îndepărtate în drumul său către Pământ. Acest lucru ar fi valabil mai ales pentru supernovele de la distanță de tip Ia, pe care astronomii le-au folosit de zeci de ani ca sursă standard de luminozitate pentru măsurarea distanțelor cosmice și a vitezei cu care Universul se extinde.
Cu toate acestea, după efectuarea unei analize statistice complexe a datelor privind luminozitatea și distanța a 740 de supernove - 580 în Uniune și 740 în cataloagele Joint Light-Curba Analysis (JLA) - echipa a ajuns la concluzia că opt dintre supernovele ar trebui să fie mai strălucitoare de către câteva zecimi la sută decât cele observate istoric. Cu toate acestea, nu a fost detectată o asemenea strălucire, chiar și atunci când au fost luate în considerare găuri negre de masă mică.
„Nu puteți vedea acest efect asupra unei supernovele, dar când le-ați strâns pe toate și faceți o analiză completă bayesiană, începeți să puneți restricții foarte puternice asupra materiei întunecate, deoarece fiecare supernova contează și aveți atât de multe dintre ele”, a spus Zumalacárregui.
Din analiza lor, au ajuns la concluzia că găurile negre nu pot constitui cel mult aproximativ 40% din materia întunecată din Univers. După ce a inclus 1.048 de supernovele mai strălucitoare din catalogul Pantheon (și la distanțe mai mari), constrângerile au devenit și mai strânse. Cu acest al doilea set de date, au obținut o limită superioară și mai mică - 23% - decât în analiza lor inițială.
Aceste rezultate sugerează că niciuna din materia întunecată a Universului nu este formată din găuri negre grele sau din alte obiecte la fel de masive precum MACHO. „Ne-am întors la discuțiile standard”, a spus Seljak. „Ce este materia întunecată? Într-adevăr, rămânem fără opțiuni bune. Aceasta este o provocare pentru generațiile viitoare. ”
Acest studiu s-a bazat pe cercetările anterioare efectuate de Seljak la sfârșitul anilor 90, când oamenii de știință considerau MACHO-urile și alte obiecte masive ca o posibilă sursă de materie întunecată. Cu toate acestea, studiul a fost limitat din cauza faptului că numai un număr mic de supernovele de tip Ia îndepărtate au fost descoperite sau au fost măsurate distanțele lor la momentul respectiv.
În plus, căutarea materiei întunecate s-a mutat la scurt timp după aceea de la obiecte mari la particule fundamentale (cum ar fi WIMPs). Drept urmare, planurile de monitorizare studiate nu s-au concretizat. Dar, datorită observațiilor LIGO despre undele gravitaționale, a apărut din nou posibila legătură între găurile negre și materia întunecată și i-a inspirat pe Seljak și Zumalacárregui să-și conducă analiza.
„Ceea ce a fost interesant este că masele găurilor negre din evenimentul LIGO erau chiar acolo unde găurile negre nu au fost încă excluse ca materie întunecată”, a spus Seljak. „A fost o coincidență interesantă care a încântat pe toată lumea. Dar a fost o coincidență.
Teoria materiei întunecate a fost adoptată oficial în anii ’70, în perioada „Epoca de Aur a Relativității”, pentru a ține cont de discrepanțele dintre masa aparentă a obiectelor din Univers și efectele lor gravitaționale observate. Se pare că jumătate de secol mai târziu, încă încercăm să urmărim această masă misterioasă, invizibilă. Dar cu fiecare studiu, restricții suplimentare sunt puse pe chestiunea întunecată și posibilii candidați sunt eliminați.
Cu timpul, am putea debloca acest mister cosmologic și vom fi cu un pas mai aproape de a înțelege modul în care Universul s-a format și a evoluat.
