Figur 1:Vintergatans galax (vänster) och Andromedagalaxen (höger) är åtskilda av 2,6 miljoner ljusår. Jämfört med områden där stjärnor är samlade, mörk materia tros vara fördelad över en mycket större volym. Kredit:Kavli IPMU
Ett internationellt team av forskare har satt en teori som spekulerats av framlidne Stephen Hawking på sitt mest rigorösa test hittills, och deras resultat baserade på observationer med hjälp av Subaru-teleskopet har uteslutit möjligheten att ursprungliga svarta hål mindre än en tiondels millimeter utgör det mesta av mörk materia.
Forskare vet att 27 procent av materien i universum består av mörk materia. Dess gravitationskraft hindrar stjärnor i vår Vintergatan från att flyga isär. Dock, försök att upptäcka sådana mörka materialpartiklar med hjälp av underjordiska experiment, eller acceleratorexperiment inklusive världens största accelerator, Large Hadron Collider, har misslyckats hittills.
Detta har fått forskare att överväga Hawkings teori från 1974 om förekomsten av ursprungliga svarta hål, föddes strax efter Big Bang, och hans spekulationer om att de skulle kunna utgöra en stor del av de svårfångade mörk materia forskare försöker upptäcka idag.
Ett internationellt team av forskare, leds av Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe Principal Investigator Masahiro Takada, Doktorand Hiroko Niikura, Professor Naoki Yasuda, och inklusive forskare från Japan, Indien och USA, har använt gravitationslinseffekten för att leta efter ursprungliga svarta hål mellan jorden och Andromedagalaxen. Gravitationslinser, en effekt som först föreslogs av Albert Einstein, manifesterar sig som böjning av ljusstrålar som kommer från ett avlägset objekt som en stjärna på grund av gravitationseffekten av ett mellanliggande massivt objekt som ett ursvart hål. I extrema fall, sådan ljusböjning gör att bakgrundsstjärnan ser mycket ljusare ut än den ursprungligen är.
Figur 2:När Subaru-teleskopet på jorden tittar på Andromedagalaxen, en stjärna i Andromeda blir betydligt ljusare om ett ursvart hål passerar framför stjärnan. När det ursprungliga svarta hålet fortsätter att röra sig ur linje, stjärnan kommer också att bli mörkare (gå tillbaka till sin ursprungliga ljusstyrka). Kredit:Kavli IPMU
Dock, gravitationslinseffekter är mycket sällsynta händelser eftersom det kräver en stjärna i Andromedagalaxen, ett ursvart hål som fungerar som gravitationslinsen, och en observatör på jorden för att vara exakt i linje med varandra. Så för att maximera chanserna att fånga en händelse, forskarna använde Hyper Suprime-Cam på Subaru-teleskopet, som kan fånga hela bilden av Andromedagalaxen i en bild. Med hänsyn till hur snabbt ursprungliga svarta hål förväntas röra sig i det interstellära rymden, teamet tog flera bilder för att kunna fånga flimmer från en stjärna när den ljusnar under en period av några minuter till timmar på grund av gravitationslinser.
Figur 3: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. Kredit:Niikura et al.
Från 190 bilder i följd av Andromedagalaxen tagna under sju timmar under en klar natt, teamet sökte igenom data för potentiella gravitationslinser. Om mörk materia består av ursprungliga svarta hål med en given massa, i detta fall massor lättare än månen, forskarna förväntade sig att hitta omkring 1000 händelser. Men efter noggranna analyser, de kunde bara identifiera ett fall. Teamets resultat visade att ursprungliga svarta hål inte kan bidra med mer än 0,1 procent av all mörk materia. Därför, det är osannolikt att teorin är sann./p>
Forskarna planerar nu att vidareutveckla sin analys av Andromedagalaxen. En ny teori som de kommer att undersöka är att ta reda på om binära svarta hål som upptäckts av gravitationsvågsdetektorn LIGO faktiskt är ursprungliga svarta hål.
Figur 4:Restriktioner för massfraktionen av ursvarta hål till mörk materia i Vintergatan och Andromedagalaxen som en funktion av ursvarta håls massa. Skuggade områden visar uteslutna områden där förekomsten av sådana ursprungliga svarta hål inte överensstämmer med olika observationsdata. Den röda färgen indikerar området där denna studie har bidragit till studiet av ursprungliga svarta hål. En-natts HSC/Subaru ger de strängaste begränsningarna för ursprungliga svarta hål med massor som är lättare än månens massa, t.ex. jämfört med NASA Kepler 2-årsdata. Kredit:Niikura et al.
Dessa resultat publicerades den 1 april, 2019 i Natur astronomi .
