Andromedagalaxen är Vintergatans närmaste granngalax, 2,5 miljoner ljusår bort. Kredit:HSC Project / NAOJ
Teorin att mörk materia skulle kunna vara gjord av ursvarta hål som är en bråkdel av en millimeter i storlek har uteslutits av ett team av forskare under ledning av Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).
1974, fysikern Stephen Hawking beskrev hur ursprungliga svarta hål kunde ha bildats på bråkdelen av en sekund efter Big Bang. Ursprungliga svarta hål kan ha massor som sträcker sig från en liten fläck till 100, 000 gånger vår sol. I kontrast, supermassiva svarta hål som upptäckts av astronomiska observationer började bildas åtminstone hundratusentals år senare, och är miljoner eller miljarder gånger större än vår sol. Eftersom ursprungliga svarta hål av någon storlek inte har upptäckts, de har varit en spännande kandidat för svårfångad mörk materia.
Så vitt vi nu vet, baryonisk materia utgör bara 5 procent av all materia i universum. Resten är antingen mörk materia (27 procent) eller mörk energi (68 procent), båda har ännu inte upptäckts fysiskt. Men forskare är övertygade om att mörk materia existerar eftersom vi kan se dess effekt på vårt universum. Utan gravitationskraften från mörk materia, stjärnorna i vår Vintergatans galax skulle flyga isär.
För att testa teorin om att ursprungliga svarta hål, speciellt de som handlar om månens massa eller mindre, kan vara mörk materia, Kavli IPMU-forskare Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura och medarbetare från Japan, Indien och USA sökte efter dessa små svarta hål mellan jorden och Andromedagalaxen, Vintergatans närmaste granngalax, 2,5 miljoner ljusår bort.
Data från stjärnan som visade egenskaper att förstoras av en potentiell gravitationslins, möjligen av ett ursvart hål. Ungefär 4 timmar efter att datatagningen på Subaru-teleskopet började, en stjärna började lysa starkare. Mindre än en timme senare, stjärnan nådde maximal ljusstyrka innan den blev svagare. (från vänster till höger) originalbilden, den ljusare bilden, differentialbilden och restbilden. Niikura et al.
"Det som gjorde mig intresserad av det här projektet var den enorma inverkan det skulle ha på att avslöja naturen hos mörk materia, " säger Niikura. "Att upptäcka ursprungliga svarta hål skulle vara en historisk bedrift. Även ett negativt resultat skulle vara värdefull information för forskare som sammanställer scenariot för hur universum började."
Att leta efter svarta hål, teamet använde gravitationslinseffekten. Gravitationslinser förklarades först av Albert Einstein, vem sa att det var möjligt för en bild av ett avlägset föremål, som en stjärna, att bli förvrängd på grund av gravitationseffekten av ett massivt föremål mellan stjärnan och jorden. Det massiva föremålets gravitation kan fungera som en förstoringsglaslins, böjer stjärnans ljus och får det att verka ljusare eller förvrängt för mänskliga observatörer på jorden.
Eftersom en stjärna, ett svart hål och jorden rör sig ständigt i det interstellära rymden, en stjärna skulle gradvis bli ljusare, sedan svagare för observatörer på jorden, när den rör sig över vägen för en gravitationslins. Så forskarna tog 190 bilder i följd av hela Andromedagalaxen, tack vare Hyper Suprime-Cam-digitalkameran på Subaru-teleskopet på Hawaii. Om mörk materia är gjord av ursprungliga svarta hål och, I detta fall, som är lättare än månen, forskarna förväntade sig att hitta 1, 000 gravitationsmikrolinser. De beräknade denna uppskattning genom att anta att mörk materia i hela galaxens gloria består av ursprungliga svarta hål, och med hänsyn till antalet stjärnor i Andromedagalaxen som kan påverkas av ett ursvart hål, och slutligen chanserna för deras utrustning att fånga en gravitationell mikrolinshändelse.
Teleskopet fotograferade 90 miljoner stjärnor. Det tog två år för teamet att filtrera bort alla brus och icke-gravitationella linshändelser från data. I slutet, de kunde bara identifiera en stjärna som ljusnade och sedan dämpades – vilket tyder på ett möjligt ursvart hål – vilket betyder att det är osannolikt att de utgör all mörk materia.
Ändå, Niikura förklarar att det fortfarande finns mycket att lära om ursprungliga svarta hål. Forskarna hade bara avfärdat teorin för en specifik massa:svarta hål med en massa liknande eller mindre än månen. Tidigare studier har uteslutit andra massor, eller i vilken utsträckning de kunde förklara mörk materia. Men det finns fortfarande en chans att ursprungliga svarta hål av varierande storlek kan finnas där ute. Det analytiska tillvägagångssättet som utvecklats av Kavli-teamet skulle kunna användas i framtida studier av ursvarta hål, inklusive att försöka avgöra om svarta hål som upptäckts av Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory (LIGO) i USA i själva verket kan vara primordiala.
