Первинні чорні діри могли утворитися в ранньому Всесвіті, а не внаслідок загибелі масивних зір. Частина моделей допускає, що об’єкти з масами, близькими до мас астероїдів, можуть становити темну матерію — невидиму речовину, чию присутність визначають за гравітаційним впливом.

Нове дослідження використало 20 років даних рентгенівської обсерваторії INTEGRAL. Автори шукали не самі чорні діри, а непрямий слід їхнього можливого випаровування: додаткове розсіяне жорстке рентгенівське випромінювання в Чумацькому Шляху. Робота оприлюднена як препринт на arXiv, тобто ще не пройшла рецензування в науковому журналі.

Як IBIS шукав випромінювання Гокінга

За теорією випромінювання Гокінга чорні діри можуть дуже повільно втрачати масу. Що менша чорна діра, то інтенсивнішим має бути цей процес. Для первинних чорних дір у нижній частині астероїдного діапазону мас випаровування має породжувати електрони й позитрони.

Ці частинки рухаються крізь Галактику та взаємодіють із її полями випромінювання. Під час оберненого комптонівського розсіювання електрон або позитрон передає частину своєї енергії фотону. Так звичайне галактичне світло може перейти до жорсткого рентгенівського діапазону.

Саме такий розсіяний сигнал шукали в даних приладу IBIS на борту INTEGRAL. Важливе значення мав не лише спектр випромінювання, тобто його розподіл за енергіями, а й форма сигналу на небі. Розподіл темної матерії в Галактиці та поширення заряджених частинок мають залишати просторовий відбиток, відмінний від частини звичайних джерел рентгенівського фону.

Галактичний фон став головною перешкодою

Жорстке рентгенівське небо не є порожнім. У ньому присутнє випромінювання електронів космічних променів, які також розсіюють галактичне світло. Свій внесок дають і численні акреційні білі карлики — зоряні залишки, що забирають речовину в сусідніх зір. Багато таких систем надто слабкі, щоб розглядати їх окремо, але разом вони формують помітний фон.

Автори побудували фізично обґрунтовану модель цих компонентів і додали до неї очікуваний внесок від випаровування первинних чорних дір. Поєднання просторової та спектральної інформації дозволило краще відділити можливий сигнал темної матерії від астрофізичного фону.

Результатом стали обмеження на частку темної матерії, яку можуть становити первинні чорні діри в широкому інтервалі мас. Розглянуто також розширені розподіли мас, де всі об’єкти не мають однієї маси, та моделі з обертовими чорними дірами.

Наскільки впевнені в результаті

Це не повідомлення про виявлення первинних чорних дір. Дослідження встановлює межі для моделей: якщо таких об’єктів було б надто багато, їхнє випаровування мало б дати рентгенівський сигнал, сильніший за дозволений даними.

Основна невизначеність пов’язана з тим, як низькоенергетичні електрони й позитрони поширюються Галактикою. Їхній шлях визначає, де саме на небі виникатиме додаткове рентгенівське випромінювання. На оцінки також впливає припущений профіль густини темної матерії в Чумацькому Шляху.

Чому це важливо

Первинні чорні діри астероїдних мас залишаються серед життєздатних кандидатів на роль темної матерії. Їх перевіряють різними способами, тому жорстке рентгенівське випромінювання є цінним доповненням до інших методів.

Сила цієї роботи не лише в тривалості набору даних, а й у спробі використати одночасно енергію та напрямок випромінювання. Подальше уточнення моделей поширення електронів і позитронів може зробити такі перевірки точнішими. Поки що INTEGRAL звужує простір для моделей, у яких темна матерія складається з випаровуваних первинних чорних дір.