Астрофизики считают, что массы черных дыр имеют иерархическую структуру. Самые большие — это сверхмассивные черные дыры (СМЧД), подобные той, что находится в центре Млечного пути и других галактик. Черные дыры звездной массы образуются в результате коллапса звезд и имеют меньшие размеры. Самыми маленькими из всех являются теоретические первичные черные дыры, которые сформировались лишь в результате странных физических процессов ранней Вселенной.
Предполагается, что черные дыры промежуточной массы (ЧДМ) занимают промежуточное положение между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в иерархии масс. Их масса составляет от 10² до 10⁵ солнечных масс. Проблема в том, что их существование никогда не было подтверждено. В 2008 году исследователи обнаружили свидетельства существования одной такой черной дыры в Омега Центавра, но последующие исследования опровергли это утверждение. На данный момент существование ЧДМ остается неизвестным.
Если они существуют, новое исследование предлагает способ их обнаружения. Оно называется «Доказательства существования черных дыр промежуточной массы по признакам микролинзирования в каталоге CHIME/FRB 2», а ведущим автором является Хуан Чжоу из Школы физики и оптоэлектронной инженерии Янцзыйского университета, Китай. Исследование доступно на сайте arxiv.org.
«Черные дыры промежуточной массы (ЧДМ) — это недостающее звено в космической иерархии черных дыр, заполняющее пробел между черными дырами звездной массы и сверхмассивными», — пишут авторы. Они также являются редкими лабораториями для проверки так называемой гравитации сильного поля — областей, где пространство-время сильно искривляется под действием экстремальных гравитационных сил. «Однако обнаружение ЧДМ до сих пор оставалось крайне сложной задачей», — поясняют они.
Исследователи предполагают, что промежуточные черные дыры (IMBH) можно обнаружить с помощью гравитационного микролинзирования быстрых радиовспышек (FRB). FRB — это кратковременные радиоволны, длительностью от доли микросекунды до примерно 3 секунд. Они возникают в результате высокоэнергетического астрофизического процесса, который до сих пор не изучен и не идентифицирован. «Эффект микролинзирования быстрых радиовспышек (FRB) может служить чистым и эффективным методом исследования промежуточных черных дыр», — объясняют исследователи.
В рамках канадского эксперимента по картированию интенсивности водорода (CHIME) был создан каталог быстрых радиовспышек (FRB), с которыми работали авторы. Они обнаружили две микролинзовые сигнатуры, которые могут быть признаками черных дыр промежуточной массы (IMBH).
«Среди быстрых радиовспышек наиболее вероятно наличие сигналов линзирования у тех, которые имеют четкую многопиковую структуру», — пишут авторы. «На кривую блеска микролинзированной быстрой радиовспышки будет наложен эхо-сигнал. Предполагаемые массы линз для этих двух сигнатур составляют приблизительно [539−609] солнечных масс и приблизительно [1544−2571] солнечных масс соответственно», — пишут они. Обе они находятся в правильном диапазоне для промежуточных черных дыр.
Авторы объясняют, что если вдоль линии зрения нет промежуточных структур, таких как галактики или скопления галактик, то промежуточные черные дыры могут иметь первичную природу. Это объясняется тем, что они изолированы и не находятся внутри какой-либо галактики. В некоторых частях своей статьи они называют их первичными черными дырами.
Ученые предположили, что первичные черные дыры (PBH) могут составлять значительную часть темной материи, возможно, всю ее целиком. В этом случае все промежуточные черные дыры (IMBH) в двух диапазонах масс, в которых находятся эти две звезды, могут составлять примерно 4% темной материи. Если эти обнаружения на самом деле не являются промежуточными черными дырами, эти результаты все равно что-то говорят ученым. В таком случае промежуточные черные дыры в этих двух диапазонах масс не могут составлять более 13% темной материи.
«На основе первородного происхождения мы получили предварительное ограничение на долю темной материи в ПЧД: 1) эти ПЧД будут составлять примерно 4% темной материи в диапазонах масс ∼ [539, 609] солнечных масс и ∼ [1544, 2571] солнечных масс; 2) если эти кандидаты не являются истинными сигналами гравитационного линзирования, то количество ПЧД с массами > 300 солнечных масс может быть ограничено примерно 13% при уровне достоверности 95%», — пишут авторы.
Однако эти интерпретации применимы только в том случае, если это реальные события микролинзирования, а обнаруженная пара чёрных дыр промежуточной массы изолирована и не находится внутри галактики или скопления галактик. Чтобы определить, так ли это, нам необходимо лучше понимать природу быстрых радиовспышек.
«Поэтому более полная информация о наблюдениях за быстрыми радиовспышками, а также более глубокое понимание того, могут ли внутренние механизмы излучения быстрых радиовспышек создавать сигналы, подобные линзированию, будут иметь решающее значение для установления этого эффекта как мощного инструмента для исследования (первичных) черных дыр промежуточной массы», — пишут авторы.
