Введение
Гипотетическая форма темной материи в галактических гало
Массивный компактный объект гало (MACHO) – это вид астрономического тела, который может объяснить кажущееся присутствие темной материи в гало галактик. MACHO – это объект, который излучает мало или совсем не излучает, и свободно перемещается в межзвездном пространстве, не связанный с какой-либо планетной системой (и может состоять как из обычной барионной материи, так и не состоять из нее). Поскольку MACHO не излучают свет, их трудно обнаружить. К кандидатам в MACHO относятся черные дыры или нейтронные звезды, а также коричневые карлики и свободно плавающие планеты. Белые карлики и очень тусклые красные карлики также рассматривались как возможные кандидаты MACHO. Термин был введен астрофизиком Ким Грист.
Обнаружение
MACHO может быть обнаружен, когда он проходит перед звездой или почти перед ней, и гравитация MACHO искривляет свет, заставляя звезду казаться ярче – это пример гравитационного линзирования, известного как гравитационное микролинзирование. Несколько групп искали MACHO, наблюдая за микролинзовым усилением света. Эти группы исключили возможность объяснения темной материи MACHO с массой в диапазоне от 1 солнечной массы (0,3 лунных масс) до 100 солнечных масс. В 2000 году коллаборация MACHO заявила, что обнаружила достаточно эффектов микролинзирования, чтобы предсказать существование множества MACHO со средней массой около 0,5 солнечной массы, достаточной для формирования, возможно, 20% темной материи в галактике. Это позволяет предположить, что MACHO могут быть белыми или красными карликами, имеющими сопоставимые массы. Однако красные и белые карлики не являются полностью темными; они излучают некоторое количество света, поэтому их можно искать с помощью космического телескопа Хаббл и обзоров собственных движений. Эти поиски исключили возможность того, что эти объекты составляют значительную долю темной материи в нашей галактике. Другая группа, коллаборация EROS2, не подтверждает сообщения о сигналах, сделанные группой MACHO. Они не обнаружили достаточного эффекта микролинзирования, обладая чувствительностью в два раза выше. Наблюдения с использованием прибора NICMOS космического телескопа Хаббл показали, что красные карлики составляют менее одного процента массы гало. Это соответствует пренебрежимо малой доле массы гало темной материи. Следовательно, проблема недостающей массы не решается с помощью MACHO.
Типы
Иногда MACHO включают в себя черные дыры. Изолированные черные дыры, лишенные окружающего вещества, действительно черны, поскольку не излучают свет и поглощают любой направленный на них свет, не отражая его. Черную дыру иногда можно обнаружить по ореолу яркого газа и пыли, образующему аккреционный диск, притягиваемый гравитацией черной дыры. Такой диск может генерировать струи газа, выбрасываемые из черной дыры, поскольку она не способна поглотить их достаточно быстро. Однако изолированная черная дыра не будет иметь аккреционного диска и будет обнаруживаться только посредством гравитационного линзирования. Космологи сомневаются, что они составляют основную часть темной материи, поскольку черные дыры расположены в изолированных точках галактики. Основной вклад в недостающую массу должен быть распределен по всей галактике для поддержания гравитационного равновесия. Небольшая группа физиков, включая Чаплина и Лафлина, полагает, что общепринятая модель черной дыры ошибочна и должна быть заменена новой моделью – звездой темной энергии; в общем случае для предложенной новой модели космологическое распределение темной энергии будет слегка неоднородным, и темные звезды первичного типа могут быть потенциальными кандидатами в MACHO. Нейтронные звезды, в отличие от черных дыр, недостаточно массивны для полного коллапса и вместо этого формируют вещество, подобное атомному ядру, называемое нейтронной материей. Со временем эти звезды могут излучить достаточно энергии, чтобы остыть и стать слишком тусклыми для наблюдения. Аналогично, старые белые карлики также могут остыть и угаснуть, в конечном итоге превратившись в черных карликов, хотя считается, что Вселенная еще недостаточно стара для того, чтобы какие-либо звезды достигли этой стадии. Коричневые карлики также рассматривались как кандидаты в MACHO. Коричневые карлики иногда называют "неудавшимися звездами", поскольку их массы недостаточно для начала ядерного синтеза после коллапса под действием собственной гравитации. Масса коричневых карликов составляет от тринадцати до семидесяти пяти масс Юпитера. Сжатие вещества, формирующего коричневый карлик, нагревает его, поэтому они слабо светятся в инфракрасном диапазоне, что затрудняет их обнаружение. Исследование эффектов гравитационного линзирования в направлении Малого Магелланова Облака и Большого Магелланова Облака не выявило ожидаемого количества и типа линзирующих событий, если бы коричневые карлики составляли значительную долю темной материи.
Теоретические соображения
Теоретические исследования также показали, что древние MACHO вряд ли могут объяснить значительное количество темной материи, которое, как полагают, присутствует во Вселенной. Большой взрыв, в его современном понимании, не мог произвести достаточное количество барионов, оставаясь при этом согласованным с наблюдаемыми концентрациями элементов, включая концентрацию дейтерия. Более того, независимые наблюдения барионных акустических осцилляций, как в космическом микроволновом фоне, так и в крупномасштабной структуре галактик, устанавливают ограничения на соотношение барионов к общему количеству материи. Эти наблюдения демонстрируют, что большая доля небарионной материи необходима вне зависимости от наличия или отсутствия MACHO; однако кандидаты в MACHO, такие как первичные черные дыры, могли образоваться из небарионной материи (в предбарионные эпохи раннего Большого взрыва).