Темная материя как черные шаровые скопления

Ну что друзья-астрономы и прочие интеллектуалы: проведем виртуальный семинар, раз они вошли в моду? Докладчик заявился только один ;)

Итак, идет большая война вокруг того, можно ли объяснить темную материю черными дырами (квантовые космологи не спешат расставаться со своими аксионами и прочими милыми сердцу финтифлюшками). И вот какой кусок из моей обзорной статьи хочется обсудить. Здесь нет ничего нового, лишь изложение идей других людей с моими оценками, но тем не менее...

"Многие специалисты считают, что гипотеза о том, что темная материя целиком состоит из черных дыр и нейтронных звезд, находится в противоречии с наблюдательными данными по гравитационному линзированию звезд в Магеллановых облаках (см. обзор и ссылки в статьях Долгова, 2018 и Belotsky et al, 2019). Если вокруг Галактики есть достаточно однородное гало из черных дыр или нейтронных звезд, то они должны загораживать обычные звезды соседних галактик, что вызовет резкое увеличение светимости этих звезд. Но если черные дыры имеют тенденцию к созданию скоплений, то это наблюдательное ограничение теряет силу (см. например, анализ Clesse and Garcia-Bellido, 2017; Belotsky et al, 2019).

Действительно, в галактическом гало располагаются большое количество шаровых скоплений с размером ~100 световых лет и с числом звезд ~10^4-10^6. Предположим, что аналогичную тенденцию к образованию шаровых скоплений имеют реликтовые черные дыры. Такие «черные» шаровые скопления будут практически невидимы и могут быть зарегистрированы только двумя способами: если черные дыры в них сливаются, что порождает всплеск регистрируемых гравитационных волн, или если черные дыры в таком кластере служат гравитационными линзами. Пусть типичное «черное» шаровое скопление состоит из ~10^5-10^6 черных дыр со средней массой дыры в ~30 масс Солнца и с общей массой в ~3*10^6 - 3*10^7 масс Солнца. Для формирования темного гало с массой в ~10^12 солнечных масс потребуется 3*10^4 - 3*10^5 таких «черных» шаровых скоплений. Если размер черного шарового скопления ~10 световых лет (Belotsky et al, 2019 рассматривает скопление черных дыр с размером порядка парсека), и они располагаются на расстоянии ~105 световых лет, то на небе общая площадь «черных» шаровых скоплений составит ~1 кв. градуса. Равномерное распределение «черных» шаровых скоплений по всей небесной сфере с площадью в 41253 кв. градуса означает малую вероятность того, что такое скопление попадет на линию между телескопом и звездами Магеллановых облаков. Поэтому наблюдения гравитационного линзирования в локальных участках неба ничего не смогут сказать о кластерах черных дыр, хотя эти наблюдения могут дать оценку фоновых, рассеянных черных дыр, не вошедших в скопления (или вылетевших из скоплений после взаимного слияния). Отметим, что такие черные шаровые скопления могут вызывать эффект линзирования как суммарным гравитационным полем, так и полем отдельных дыр, входящими в их состав.

Существование большинства черных дыр в плотных кластерах, подобных шаровым скоплениям, решает проблему генерации гравитационных волн, которые регистрируются ЛИГО. Такие волны возникают при слиянии двух черных дыр, но оставалось непонятным - как встретились в пространстве две черные дыры с размером ~100 км. Ведь черные дыры, как и нейтронные звезды, возникнув при взрыве сверхновой, получают такой импульс, что покидают своего компаньона по возможной двойной системе. Другие варианты образования двойных систем из черных дыр или нейтронных звезд маловероятны (см., например, Долгов, 2018). Слияния черных дыр и нейтронных звезд, находящихся в плотных шаровых скоплениях, решают эту проблему. Таким образом, LIGO регистрирует слияние реликтовых дыр и нейтронных звёзд из «черных» шаровых скоплений.

Гравитационные неустойчивости с учетом вязкой диссипативной среды сжатой Вселенной (см. например, Горькавый и Фридман, 1994) должны приводить к эффективному разбиению популяции реликтовых черных дыр на кластеры различных масштабов. Вероятно, к моменту формирования облаков из нейтрального водорода, черные дыры уже были организованы в иерархию скоплений различного масштаба. Самые крупные кластеры черных дыр захватили достаточное количество газа и превратились в эллиптические и спиральные галактики. Скопления средних размеров, в случае аккреции достаточного количества газа могли превратиться в яркие карликовые галактики, такие как Магеллановы облака, а могли остаться очень тусклыми скоплениями, которые на 99.9% состоят из темной материи – восемь таких карликовых галактик найдено среди спутников Млечного пути (Simon and Gena, 2007). Видимо, среди небольших и плотных скоплений черных дыр лишь немногие сумели захватить количество водорода, достаточное для активного звездообразования. Такие скопления превратились в шаровые скопления, которые содержат в центре кластер черных дыр, возможно, с IMBH. Остальные кластеры черных дыр остались в виде «черных» шаровых скоплений. Эти скопления постепенно собрались вокруг галактик, образовав массивное гало темной материи.

Поиск «черных» шаровых скоплений представляется одной из самых интересных задач для наблюдательной астрономии. Шаровые скопления с аномально высоким содержанием темной материи (“dark globular clusters”) уже найдены в одной из эллиптических галактик (Taylor et al, 2015). Отметим, что число шаровых скоплений хорошо коррелирует с массой галактик, подавляющую часть которой составляет гало из темной материи (Burkert and Forbes, 2020), что объясняется постоянством соотношения числа ярких и черных шаровых скоплений.

На наличие темной материи указывает отличие скоростей движения периферийных звезд от кеплеровского движения. Поэтому считалось, что Млечный путь имеет массивное гало темной материи, а шаровые скопления – нет. На самом деле, шаровое скопление может иметь в центре плотное скопление черных дыр, но оно не вызывает аномалии в динамике периферийных звезд. Отметим, что наблюдатели не смогли найти признаков темной материи в окрестности Солнца – и сейчас это понятно, потому что темная материя не рассеяна по всей Галактике, а содержится в плотных скоплениях. Число таких «темных» шаровых кластеров внутри тонкого газового диска Галактики может быть всего ~100 штук".