I februar 2016 , forskere, der arbejder for Laser Interferometer gravitationsbølgeobservatoriet (LIGO) skrev historie, da de annoncerede den første påvisning nogensinde af gravitationsbølger . Siden dengang har flere påvisninger fundet sted og videnskabeligt samarbejde mellem observatorier – som Advanced LIGO og Avanceret Jomfru – giver mulighed for hidtil usete niveauer af følsomhed og datadeling.
Denne begivenhed bekræftede ikke kun en århundredgammel forudsigelse lavet af Einsteins almene relativitetsteori , førte det også til en revolution inden for astronomi. Det vækkede også håbet hos nogle videnskabsmænd, der mente, at sorte huller kunne forklare universets 'manglende masse'. Desværre, a ny undersøgelse af et hold af UC Berkeley-fysikere har vist, at sorte huller ikke er den længe efterspurgte kilde til Mørkt stof .
Deres undersøgelse, ' Grænser for kompakte objekter med stjernemasse som mørkt stof fra gravitationslinser af type Ia supernovaer “, dukkede for nylig op iFysiske anmeldelsesbreve. Undersøgelsen blev ledet af Miguel Zumalacarregu, en Marie Curie Global Fellow ved Berkeley Center for Kosmologisk Fysik (BCCP), med støtte fra Uros Seljak – professor i kosmologi og meddirektør for BCCP.
For at sige det enkelt, er Dark Matter stadig et af de mest uhåndgribelige og besværlige mysterier, som astronomer står over for i dag. På trods af, at det omfatter 84,5% af stoffet i universet, er alle forsøg på at opdage det indtil videre mislykkedes. Mange kandidater er blevet foreslået, lige fra ultralette partikler (axioner) til Svagt interagerende massive partikler (WIMPS) og Massive Compact Halo Objects (MACHO'er).
Imidlertid varierer disse kandidater i masse med en størrelsesorden på 90, hvilket flere teoretikere har forsøgt at løse ved at foreslå, at der kunne være flere typer mørkt stof. Dette ville dog kræve forskellige forklaringer på deres oprindelse, hvilket kun ville komplicere kosmologiske modeller yderligere. Som Miguel Zumalacárregui forklarede i et nyligt UC Berkeley pressemeddelelse :
»Jeg kan forestille mig, at det er to typer sorte huller, meget tunge og meget lette, eller sorte huller og nye partikler. Men i så fald er den ene af komponenterne størrelsesordener tungere end den anden, og de skal produceres i sammenlignelig overflod. Vi ville gå fra noget astrofysisk til noget, der virkelig er mikroskopisk, måske endda den letteste ting i universet, og det ville være meget svært at forklare.'
Af hensyn til deres undersøgelse gennemførte holdet en statistisk analyse af 740 af de lyseste supernovaer, der blev opdaget (fra 2014) for at bestemme, om nogen af dem var blevet forstørret eller oplyst af tilstedeværelsen af et mellemliggende sort hul. Dette fænomen, hvor tyngdekraften af et stort objekt forstørrer lyset, der kommer fra fjernere objekter, er kendt som ' gravitationslinser '.
En supernovaeksplosion af en massiv stjerne ser lysere ud for en observatør på Jorden, hvis der sidder et sort hul mellem eksplosionen og observatøren. Kredit: APS/Carin Cain billede
Dybest set, hvis sorte huller var den dominerende form for stof i universet, ville gravitationsmæssigt forstørrede supernovaer forekomme ret ofte på grund af de oprindelige sorte huller. Disse hypotetiske former for sorte hul menes at være dannet inden for de første par millisekunder efter Big Bang i dele af universet, hvor massen var koncentreret til titusvis eller hundredvis af solmasser, hvilket forårsagede at de tidligste sorte huller dannedes.
Tilstedeværelsen af denne sorte hul-population, såvel som eventuelle massive kompakte objekter, ville gravitationsmæssigt bøje og forstørre lys fra fjerne objekter på vej til Jorden. Dette vil især være tilfældet for fjerne Type Ia supernovaer, som astronomer har brugt i årtier som standard lysstyrkekilde til måling af kosmiske afstande og den hastighed, hvormed universet udvider sig.
Efter at have udført en kompleks statistisk analyse af data om lysstyrken og afstanden af 740 supernovaer – 580 i Unionen og 740 i Joint Light-curve Analysis (JLA) katalogerne – konkluderede holdet, at otte af supernovaerne burde være lysere med en få tiendedele af en procent end hvad der historisk er observeret. Der blev dog ikke detekteret en sådan oplysning, selv når sorte huller med lav masse blev indregnet.
'Du kan ikke se denne effekt på en supernova, men når du sætter dem alle sammen og laver en fuld Bayesiansk analyse, begynder du at sætte meget stærke begrænsninger på det mørke stof, fordi hver supernova tæller, og du har så mange af dem,' sagde Zumalacárregui.
Ifølge nogle teorier dannede de tidligste (primordiale) sorte huller millisekunder efter Big Bang. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Ud fra deres analyse konkluderede de, at sorte huller ikke kan udgøre mere end omkring 40% af det mørke stof i universet. Efter at have inkluderet 1.048 flere lyse supernovaer fra Pantheon-kataloget (og på større afstande), blev begrænsningerne endnu strammere. Med dette andet datasæt opnåede de en endnu lavere øvre grænse – 23 % – end i deres oprindelige analyse.
Disse resultater tyder på, at intet af universets mørke stof består af tunge sorte huller eller lignende massive objekter som MACHO'er. 'Vi er tilbage til standarddiskussionerne,' sagde Seljak. 'Hvad er mørkt stof? Vi er faktisk ved at løbe tør for gode muligheder. Dette er en udfordring for fremtidige generationer.”
Denne undersøgelse var baseret på tidligere forskning udført af Seljak i slutningen af 1990'erne, da videnskabsmænd overvejede MACHO'er og andre massive genstande som en mulig kilde til mørkt stof. Undersøgelsen var dog begrænset på grund af det faktum, at kun et lille antal fjerne Type Ia supernovaer var blevet opdaget eller fik målt deres afstande på det tidspunkt.
Derudover skiftede søgningen efter mørkt stof kort efter fra store objekter til fundamentale partikler (såsom WIMP'er). Som følge heraf blev planerne for opfølgning undersøgt ikke til virkelighed. Men takket være LIGO-observationerne af gravitationsbølger opstod den mulige forbindelse mellem sorte huller og mørkt stof igen og inspirerede Seljak og Zumalacárregui til at udføre deres analyse.
Kunstnerens indtryk af to sammensmeltede sorte huller, som er blevet teoretiseret til at være en kilde til gravitationsbølger. Kredit: Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS
'Det, der var spændende, er, at masserne af de sorte huller i LIGO-begivenheden var lige der, hvor sorte huller endnu ikke var blevet udelukket som mørkt stof,' sagde Seljak. 'Det var et interessant tilfælde, der fik alle begejstrede. Men det var en tilfældighed.”
Teorien om mørkt stof blev officielt vedtaget i 1970'erne, under 'Golden Age of Relativity', for at redegøre for uoverensstemmelserne mellem den tilsyneladende masse af objekter i universet og deres observerede gravitationseffekter. Det ser ud til, at vi et halvt århundrede senere stadig forsøger at opspore denne mystiske, usynlige masse. Men med hver undersøgelse bliver der lagt yderligere begrænsninger på Dark Matter og mulige kandidater elimineret.
Givet tid, kan vi måske bare låse op for dette kosmologiske mysterium og være et skridt tættere på at forstå, hvordan universet blev dannet og udviklet sig.
Yderligere læsning: Berkeley News , Fysiske anmeldelsesbreve
