Первичные чёрные дыры оказались не менее естественным кандидатом на тёмную материю, чем частицы
Некоторые сценарии, в которых тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр, требуют не большей точности настройки физических параметров, чем распространённые модели с гипотетическими частицами. К такому выводу пришёл физик Стефано Профумо из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, применив одинаковые количественные критерии к разным возможным механизмам происхождения тёмной материи.
Первичные чёрные дыры могли образоваться в первые мгновения существования Вселенной из областей с повышенной плотностью вещества. В работе рассматривались объекты массой от 10¹⁷ до 10²² граммов. Для этого диапазона существующие наблюдательные ограничения всё ещё допускают сценарий, при котором первичные чёрные дыры составляют всю тёмную материю.
Проблема состоит в том, что разные гипотезы о природе тёмной материи невозможно напрямую сравнить только по результатам наблюдений: ни первичные чёрные дыры подходящей массы, ни предполагаемые частицы тёмной материи пока не обнаружены однозначно. Поэтому теоретики используют дополнительный критерий — степень чувствительности модели к её исходным параметрам.
Модель считается менее требовательной к точной настройке, если небольшое изменение её параметров лишь незначительно меняет рассчитанное количество тёмной материи. Если же небольшое отклонение приводит к резкому изменению результата, параметры должны попадать в гораздо более узкий диапазон.
Профумо использовал три количественные меры такой чувствительности, включая меру Барбьери — Джудиче. Он сравнил три механизма образования первичных чёрных дыр вне инфляции, шесть классов моделей их возникновения во время инфляции и семь эталонных моделей частиц тёмной материи. Все они оценивались относительно одного и того же наблюдаемого количества тёмной материи.
Одним из наименее чувствительных оказался механизм образования первичных чёрных дыр при коллапсе доменных стен — структур, которые могли появиться в результате фазовых переходов в ранней Вселенной. По степени чувствительности к параметрам этот вариант оказался сопоставим с моделями слабовзаимодействующих массивных частиц вне резонанса и с механизмом постепенного рождения чрезвычайно слабо взаимодействующих частиц.
Промежуточное положение заняли первичные чёрные дыры, образовавшиеся в период раннего доминирования материи. По требуемой точности настройки этот механизм оказался близок к моделям, где необходимое количество тёмной материи формируется при совместной аннигиляции нескольких частиц с близкими массами.
Другие варианты оказались значительно чувствительнее. Механизм образования первичных чёрных дыр при фазовом переходе первого рода относится к той же группе высокой чувствительности, что и резонансная аннигиляция слабовзаимодействующих массивных частиц. Среди рассмотренных частичных моделей высокая точность настройки потребовалась, в частности, для сценария, связанного с резонансом бозона Хиггса.
Ещё более сильная зависимость от исходных параметров возникает в некоторых моделях одно-полевой сверхмедленной инфляции. В них небольшие изменения параметров поля способны сначала резко изменить величину первичных возмущений плотности, а затем вероятность их коллапса в чёрные дыры.
Полученные результаты показывают, что требуемая точность настройки определяется конкретным механизмом образования тёмной материи, а не тем, является ли кандидатом частица или первичная чёрная дыра. В обеих группах существуют как сравнительно устойчивые, так и сильно чувствительные к параметрам модели.
Анализ не определяет природу тёмной материи и не показывает, какая из рассмотренных моделей верна. Он позволяет сравнивать разные гипотезы по одному количественному критерию и показывает, что высокая чувствительность к параметрам не является обязательным свойством всех моделей первичных чёрных дыр.
Исследование в журнале Physical Review D.