Рекордный каталог гравитационных волн сначала указал на возможное существование первичных чёрных дыр, но более строгий анализ снял подозрения
Международная группа физиков из коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA представила самый масштабный на сегодняшний день анализ первичных чёрных дыр — гипотетических объектов, которые могли сформироваться в первые доли секунды после Большого взрыва. Работа основана на результатах первого этапа четвёртого сеанса наблюдений O4a, в ходе которого было зарегистрировано ещё 85 сигналов гравитационных волн. Благодаря этому общий каталог наблюдений вырос до 161 события.
Первичные чёрные дыры считаются одним из наиболее необычных кандидатов на роль тёмной материи. В отличие от обычных чёрных дыр, возникающих после гибели массивных звёзд, они могли появиться ещё в ранней Вселенной в результате коллапса областей с повышенной плотностью вещества. Именно поэтому физики внимательно изучают распределение масс объектов, обнаруживаемых гравитационно-волновыми детекторами.
Поводом для нового исследования стали особенности обновлённого каталога. Распределение масс наблюдаемых чёрных дыр содержит несколько выраженных пиков, которые не всегда удаётся естественным образом объяснить стандартными моделями звёздной эволюции. Это заставило учёных проверить, не скрывается ли среди зарегистрированных событий популяция объектов первичного происхождения.
На первом этапе анализа результаты выглядели весьма многообещающе. Статистическая модель, допускавшая существование первичных чёрных дыр, показала коэффициент Байеса около ln B ≈ 30,5. В космологии и физике элементарных частиц такой результат обычно рассматривается как очень сильное свидетельство в пользу проверяемой гипотезы.
Однако дальнейшая проверка показала, что эффект оказался гораздо менее надёжным, чем выглядел первоначально. Исследователи обнаружили, что значительная часть статистического преимущества возникает из-за нескольких необычных событий в области малых масс. Особенно важную роль сыграло одно спорное слияние, в котором лёгкий объект с высокой вероятностью мог оказаться нейтронной звездой, а не чёрной дырой. После исключения этого события и фиксации более реалистичных параметров модели коэффициент Байеса упал до ln B ≈ 1,7 — значения, которого уже недостаточно для серьёзных заявлений о существовании популяции первичных чёрных дыр.
Итоговый вывод оказался куда более сдержанным: новые данные не содержат убедительных доказательств того, что заметная часть обнаруженных чёрных дыр имеет первичное происхождение. Но именно отрицательный результат позволил установить самые строгие на сегодняшний день ограничения на распространённость таких объектов.
Для диапазона масс примерно от 0,6 до 100 масс Солнца исследователи получили ограничения на долю тёмной материи в форме первичных чёрных дыр на уровне от 10 ?² до 10 ?? в зависимости от массы объекта. Это означает, что в значительной части исследованного диапазона первичные чёрные дыры не могут составлять более сотых или даже десятитысячных долей всей тёмной материи.
Примечательно, что основной вклад в эти ограничения внесли не поиски стохастического гравитационно-волнового фона, а анализ индивидуально зарегистрированных слияний. По оценке авторов, ограничения, полученные по наблюдаемым событиям, оказались примерно в тысячу раз жёстче, чем результаты, основанные на анализе фонового гравитационно-волнового сигнала.
Учёные также исследовали возможность существования гораздо более лёгких первичных чёрных дыр — с массами порядка 10 ??–10 ?³ массы Солнца, сопоставимыми с массами крупных планет. Хотя ни один кандидат в итоге не был обнаружен, чувствительность современных детекторов уже позволяет проверять сценарии, в которых такие объекты составляют до 20% тёмной материи.
Авторы подчёркивают, что главным достижением работы стали не только новые ограничения, но и разработка более «агностических методов анализа», которые меньше зависят от предположений о происхождении чёрных дыр и особенностях звёздной эволюции. По мере того как каталог LIGO-Virgo-KAGRA продолжает быстро расти, такие методы будут играть всё большую роль в поиске следов процессов, происходивших в самые ранние эпохи существования Вселенной.
