I februari 2016 gjorde forskare som arbetade för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) historia när de tillkännagav den första upptäckten av gravitationsvågor någonsin. Sedan den tiden har flera upptäckter ägt rum och vetenskapliga samarbeten mellan observatorier - som Advanced LIGO och Advanced Virgo - möjliggör oöverträffade nivåer av känslighet och datadelning.
Denna händelse bekräftade inte bara en hundraårig förutsägelse gjord av Einsteins teori om allmän relativitet, utan ledde också till en revolution inom astronomin. Det stockade också förhoppningarna från vissa forskare som trodde att svarta hål kunde stå för universumets "saknade massa". Tyvärr har en ny studie av ett team av UC Berkeley-fysiker visat att svarta hål inte är den eftertraktade källan till Dark Matter.
Deras studie, "Limits on Stellar-Mass Compact Objects as Dark Matter from Gravitational Lensing of Type Ia Supernovae", dök nyligen upp i Fysiska granskningsbrev. Studien leds av Miguel Zumalacarregu, en Marie Curie Global Fellow vid Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), med stöd av Uros Seljak - professor i kosmologi och meddirektör för BCCP.
För att uttrycka det enkelt är Dark Matter ett av de mest svårfångade och besvärliga mysterier som astronomer står inför idag. Trots att det utgör 84,5% av ämnet i universum, har alla försök att upptäcka det hittills misslyckats. Många kandidater har föreslagits, allt från ultrala ljuspartiklar (axioner) till svagt-interagerande massiva partiklar (WIMPS) och Massive Compact Halo Objects (MACHO).
Dessa kandidater varierar emellertid i massa med en order på 90, vilket flera teoretiker har försökt lösa genom att föreslå att det kan finnas flera typer av mörk materia. Detta skulle emellertid kräva olika förklaringar till deras ursprung, vilket endast skulle komplicera kosmologiska modeller ytterligare. Som Miguel Zumalacárregui förklarade i ett nyligen pressmeddelande från UC Berkeley:
”Jag kan föreställa mig att det är två typer av svarta hål, mycket tunga och väldigt lätta, eller svarta hål och nya partiklar. Men i så fall är en av komponenterna ordningsföljd som är tyngre än den andra, och de måste produceras i jämförbart överflöd. Vi skulle gå från något astrofysiskt till något som verkligen är mikroskopiskt, kanske till och med det lättaste i universum, och det skulle vara mycket svårt att förklara. ”
För deras studie genomförde teamet en statistisk analys av 740 av de ljusaste supernovorna som upptäcktes (från och med 2014) för att avgöra om någon av dem hade förstorats eller klargjorts av närvaron av ett mellanliggande svart hål. Detta fenomen, där gravitationskraften hos ett stort objekt förstorar ljuset som kommer från mer avlägsna objekt kallas "gravitationslinsning".
I grund och botten, om svarta hål var den dominerande formen av materia i universum, skulle gravitationsförstorade supernovor inträffa ganska ofta på grund av primordiala svarthål. Dessa hypotetiska former av svart hål antas ha bildats inom de första millisekunden efter Big Bang i delar av universum där massan koncentrerades till tiotals eller hundratals solmassor, vilket fick de tidigaste svarta hål att bildas.
Närvaron av denna svarthålspopulation, liksom alla massiva kompakta föremål, skulle tyngdkraftsböja och förstora ljus från avlägsna föremål på väg till jorden. Detta skulle särskilt vara fallet för avlägsna supernovor av typ Ia, som astronomer har använt i årtionden som standardljuskälla för att mäta kosmiska avstånd och hastigheten med vilken universum expanderar.
Efter att ha genomfört en komplex statistisk analys av data om ljusstyrka och avstånd för 740 supernovor - 580 i unionen och 740 i den gemensamma ljuskurveanalysen (JLA) -kataloger kom slutsatsen att åtta av supernovorna borde vara ljusare av en några tiondels procent än vad som historiskt har observerats. Inget sådant lysande upptäcktes emellertid inte ens när svartmassa med låg massa togs in.
"Du kan inte se denna effekt på en supernova, men när du sätter ihop dem alla och gör en fullständig Bayesiananalys börjar du sätta mycket starka begränsningar på den mörka saken, eftersom varje supernova räknas och du har så många av dem," sade Zumalacárregui.
Från sin analys drog de slutsatsen att svarta hål inte kan utgöra mer än cirka 40% av den mörka materien i universum. Efter att ha inkluderat 1 048 fler ljusa supernovor från Pantheon-katalogen (och på större avstånd), blev begränsningarna ännu tätare. Med denna andra datamängd erhöll de en ännu nedre övre gräns - 23% - än i sin ursprungliga analys.
Dessa resultat antyder att inget av universumets mörka materie består av tunga svarta hål, eller några liknande massiva föremål som MACHO. "Vi är tillbaka till standarddiskussionerna," sade Seljak. ”Vad är mörk materia? Vi har faktiskt slut på bra alternativ. Detta är en utmaning för kommande generationer. ”
Denna studie baserades på tidigare forskning som utfördes av Seljak i slutet av 1990-talet när forskare ansåg MACHO: er och andra massiva föremål som en möjlig källa till mörk materia. Studien var emellertid begränsad på grund av det faktum att endast ett litet antal avlägsna supernovor av typ Ia hade upptäckts eller fått sina avstånd uppmätta vid den tiden.
Dessutom skiftade sökningen efter Dark Matter kort därefter från stora föremål till grundläggande partiklar (som WIMP). Som ett resultat uppkom inte planerade uppföljningsstudier. Men tack vare LIGO-observationerna av gravitationsvågor uppstod den möjliga kopplingen mellan svarta hål och mörk materia återigen och inspirerade Seljak och Zumalacárregui att utföra sin analys.
"Det som var spännande är att massorna av de svarta hålen i LIGO-evenemanget var rätt där svarta hål ännu inte hade uteslutits som mörk materia," sade Seljak. ”Det var ett intressant tillfällighet som fick alla upphetsade. Men det var en slump. "
Teorin om Dark Matter antogs officiellt på 1970-talet, under "Golden Age of Relativity", för att redogöra för skillnaderna mellan den uppenbara massan av föremål i universum och deras observerade gravitationseffekter. Det verkar som om ett halvt sekel senare försöker vi fortfarande spåra upp denna mystiska, osynliga massa. Men med varje studie läggs ytterligare begränsningar på Dark Matter och eventuella kandidater elimineras.
Med tanke på tid kan vi bara låsa upp detta kosmologiska mysterium och vara ett steg närmare förståelsen av hur universum bildades och utvecklades.
