I februar 2016 gjorde forskere som jobbet for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historie da de kunngjorde den første deteksjonen av gravitasjonsbølger noensinne. Siden den gangen har flere deteksjoner funnet sted og vitenskapelige samarbeid mellom observatorier - som Advanced LIGO og Advanced Virgo - gir mulighet for enestående nivåer av følsomhet og datadeling.
Denne hendelsen bekreftet ikke bare en hundre år gammel forutsigelse laget av Einsteins teori om generell relativitet, den førte også til en revolusjon innen astronomi. Det vekket også håp fra noen forskere som trodde at sorte hull kunne forklare universets “manglende masse”. Dessverre har en ny studie fra et team av UC Berkeley-fysikere vist at sorte hull ikke er den ettertraktede kilden til Dark Matter.
Studien deres, "Limits on Stellar-Mass Compact Objects as Dark Matter from Gravitational Lensing of Type Ia Supernovae", dukket nylig opp i Fysiske gjennomgangsbrev. Studien ble ledet av Miguel Zumalacarregu, en Marie Curie Global Fellow ved Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), med støtte fra Uros Seljak - professor i kosmologi og meddirektør for BCCP.
For å si det enkelt, Dark Matter er fortsatt et av de mest unnvikende og plagsomme mysteriene astronomene står overfor i dag. Til tross for at det utgjør 84,5% av saken i universet, har alle forsøk på å oppdage det så langt mislyktes. Mange kandidater er blitt foreslått, alt fra ultralette partikler (aksjoner) til svakt samvirke massive partikler (WIMPS) og Massive Compact Halo Objects (MACHOs).
Imidlertid varierer disse kandidatene i masse etter en rekkefølge på 90, noe flere teoretikere har prøvd å løse ved å foreslå at det kan være flere typer mørk materie. Dette vil imidlertid kreve forskjellige forklaringer på deres opprinnelse, noe som bare vil komplisere kosmologiske modeller ytterligere. Som Miguel Zumalacárregui forklarte i en fersk pressemelding fra UC Berkeley:
”Jeg kan forestille meg at det er to typer sorte hull, veldig tunge og veldig lette, eller sorte hull og nye partikler. Men i så fall er en av komponentene størrelsesordrer tyngre enn den andre, og de må produseres i sammenlignbar overflod. Vi vil gå fra noe astrofysisk til noe som virkelig er mikroskopisk, kanskje til og med det letteste i universet, og det ville være veldig vanskelig å forklare. ”
For undersøkelsens skyld gjennomførte teamet en statistisk analyse av 740 av de lyseste supernovene som ble oppdaget (fra 2014) for å avgjøre om noen av dem hadde blitt forstørret eller lysnet av tilstedeværelsen av et mellomliggende svart hull. Dette fenomenet, der gravitasjonskraften til et stort objekt forstørrer lyset fra fjernere objekter, er kjent som "gravitasjonslinsing".
I utgangspunktet, hvis sorte hull var den dominerende formen for materie i universet, ville gravitasjonsmessig forstørrede supernovas forekomme ganske ofte på grunn av urbefolkningssorte hull. Det antas at disse hypotetiske formene for svart hull har dannet seg i løpet av de første millisekundene etter Big Bang i deler av Universet der massen ble konsentrert til titalls eller hundrevis av solmasser, noe som fikk de tidligste sorte hullene til å dannes.
Tilstedeværelsen av denne sorte hullpopulasjonen, så vel som alle massive kompakte gjenstander, ville gravitasjonsmessig bøye og forstørre lys fra fjerne objekter på vei til Jorden. Dette vil spesielt være tilfelle for fjerne super Ina supernovas, som astronomer har brukt i flere tiår som standard lysstyrke for å måle kosmiske avstander og hastigheten som universet ekspanderer til.
Imidlertid, etter å ha utført en kompleks statistisk analyse av data om lysstyrken og avstanden til 740 supernovaer - 580 i Unionen og 740 i den felles katalogen for lyskurveanalyse (JLA), konkluderte teamet at åtte av supernovene skulle være lysere av en noen tideler av en prosent enn det som historisk har blitt observert. Ingen slik lysning ble imidlertid ikke oppdaget, selv når svarte hull med lav masse ble innarbeidet.
"Du kan ikke se denne effekten på én supernova, men når du setter dem sammen og gjør en full Bayesian-analyse, begynner du å sette veldig sterke begrensninger på den mørke saken, fordi hver supernova teller, og du har så mange av dem," sa Zumalacárregui.
Fra analysen deres konkluderte de med at sorte hull ikke kan utgjøre mer enn 40% av den mørke saken i universet. Etter å ha inkludert 1.048 mer lyse supernovaer fra Pantheon-katalogen (og på større avstander), ble begrensningene enda strammere. Med dette andre datasettet oppnådde de en enda nedre øvre grense - 23% - enn i sin opprinnelige analyse.
Disse resultatene antyder at ingen av universets mørke materie består av tunge sorte hull, eller noen lignende massive gjenstander som MACHO. "Vi er tilbake til standard diskusjonene," sa Seljak. “Hva er mørk materie? Vi har faktisk ingen gode alternativer. Dette er en utfordring for kommende generasjoner. ”
Denne studien var basert på tidligere forskning utført av Seljak på slutten av 1990-tallet da forskere vurderte MACHO-er og andre massive gjenstander som en mulig kilde til mørk materie. Studien var imidlertid begrenset på grunn av det faktum at bare et lite antall fjerne supernovas av type Ia hadde blitt oppdaget eller fått avstandene sine målt på det tidspunktet.
I tillegg flyttet søket etter Dark Matter kort tid etter fra store gjenstander til grunnleggende partikler (for eksempel WIMPs). Som et resultat ble ikke planene for oppfølging studert materialisert. Men takket være LIGO-observasjonene av gravitasjonsbølger, dukket den mulige forbindelsen mellom sorte hull og mørk materie nok en gang opp og inspirerte Seljak og Zumalacárregui til å utføre sin analyse.
"Det som var spennende, er at massene av de svarte hullene i LIGO-hendelsen var rett der svarte hull ennå ikke var utelukket som mørk materie," sa Seljak. “Det var en interessant tilfeldighet som gjorde alle opphisset. Men det var en tilfeldighet. ”
Teorien om Dark Matter ble offisielt adoptert på 1970-tallet, under "Golden Age of Relativity", for å redegjøre for avvikene mellom den tilsynelatende massen av objekter i universet og deres observerte gravitasjonseffekter. Det ser ut til at vi et halvt århundre senere fortsatt prøver å spore opp denne mystiske, usynlige massen. Men med hver studie blir det lagt ytterligere begrensninger på Dark Matter og mulige kandidater eliminert.
Gitt tid, kan vi bare låse opp dette kosmologiske mysteriet og være et skritt nærmere forståelsen av hvordan universet dannet og utviklet seg.
