MACHO

MACHO — это аббревиатура от англ. Massive Compact Halo Object (массивный компактный объект гало), обозначающая гипотетический класс астрономических объектов, которые могут составлять часть тёмной материи в галактических гало. MACHO представляют собой массивные, но слабо светящиеся или невидимые в оптическом диапазоне тела, такие как коричневые карлики, планеты-гиганты, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры звёздных масс. Концепция MACHO противопоставляется гипотезе о том, что тёмная материя состоит из элементарных частиц (WIMP — Weakly Interacting Massive Particles, слабовзаимодействующие массивные частицы).

История возникновения гипотезы

Идея о том, что значительная часть массы галактик может быть заключена в невидимых компактных объектах, возникла в 1970—1980-х годах. Наблюдения кривых вращения спиральных галактик, включая Млечный Путь, показали, что скорость движения звёзд и газа на периферии не соответствует предсказаниям, основанным на видимой массе. Это указывало на существование значительного количества невидимой материи — тёмного гало.

Первоначально предполагалось, что тёмное гало может состоять из обычного барионного вещества (протонов, нейтронов), но в форме объектов, не излучающих свет. Такие объекты получили общее название MACHO. В 1990-е годы гипотеза MACHO активно проверялась с помощью метода гравитационного микролинзирования.

Метод обнаружения: гравитационное микролинзирование

Поскольку MACHO не излучают собственного света, их невозможно наблюдать напрямую. Основным методом их обнаружения является гравитационное микролинзирование — эффект, предсказанный общей теорией относительности. Если массивный объект (линза) проходит между наблюдателем на Земле и далёкой звездой (источником), его гравитационное поле искривляет свет, усиливая яркость звезды на короткое время (от нескольких дней до месяцев). По форме и длительности кривой блеска можно оценить массу линзирующего объекта.

Для поиска MACHO в 1990-х годах были запущены несколько крупных проектов:

• Проект MACHO (1992—1999) — совместная работа австралийских и американских астрономов, наблюдавшая за Большим Магеллановым Облаком и балджем Млечного Пути.
• Проект EROS (Expérience de Recherche d’Objets Sombres, 1990—2002) — французская программа, также нацеленная на поиск микролинзирования.
• Проект OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment, с 1992 года) — польский проект, который, помимо поиска MACHO, стал одним из лидеров в открытии экзопланет методом транзита.

Классификация возможных кандидатов в MACHO

К классу MACHO относят несколько типов астрономических объектов, различающихся по массе и происхождению:

Коричневые карлики

Субзвёздные объекты с массой от 13 до 75—80 масс Юпитера. В их недрах не происходит термоядерных реакций с превращением водорода в гелий, поэтому они светятся очень слабо, преимущественно в инфракрасном диапазоне, и быстро остывают. Коричневые карлики считаются одними из наиболее вероятных кандидатов в MACHO, однако их общая масса в гало, по оценкам, недостаточна для объяснения всей тёмной материи.

Планеты-гиганты

Объекты с массой от нескольких масс Земли до 13 масс Юпитера. Они не способны к термоядерному синтезу и практически не излучают. Однако их обнаружение микролинзированием затруднено из-за малой массы (короткая длительность события). Считается, что планеты-гиганты составляют лишь незначительную долю MACHO.

Белые карлики

Остывшие остатки звёзд малой и средней массы (до 8—10 масс Солнца). Они имеют размеры, сравнимые с Землёй, и высокую плотность. Белые карлики могут быть невидимы в оптическом диапазоне, если они достаточно стары и остыли. Однако их количество в гало Млечного Пути, по данным наблюдений, ограничено.

Нейтронные звёзды и чёрные дыры звёздных масс

Конечные продукты эволюции массивных звёзд (свыше 8—10 масс Солнца). Нейтронные звёзды имеют радиус около 10—20 км и чрезвычайно высокую плотность. Чёрные дыры звёздных масс — объекты, гравитационное притяжение которых не позволяет покинуть их даже свету. Эти объекты являются наиболее массивными кандидатами в MACHO (от нескольких до десятков масс Солнца). Однако их количество, необходимое для объяснения тёмной материи, должно быть огромным, что противоречит наблюдаемой частоте вспышек сверхновых.

Результаты поисков и современное состояние гипотезы

Поиски MACHO методом гравитационного микролинзирования дали важные, но в целом отрицательные для гипотезы результаты. Проекты MACHO и EROS зарегистрировали определённое количество событий микролинзирования, но их частота оказалась значительно ниже, чем требовалось бы, если бы гало Млечного Пути полностью состояло из MACHO.

• Проект MACHO обнаружил около 13—17 событий в направлении Большого Магелландова Облака, что позволило оценить долю тёмной материи в виде MACHO с массами от 0,1 до 1 массы Солнца примерно в 20% от массы гало.
• Проект EROS не обнаружил ни одного достоверного события в направлении Малого Магелландова Облака и наложил ещё более жёсткие ограничения: MACHO с массами от 10⁻⁷ до 10 масс Солнца могут составлять не более 8—10% массы гало.

Таким образом, к началу 2000-х годов стало ясно, что MACHO не могут быть основным компонентом тёмной материи. Большинство астрофизиков пришли к выводу, что тёмная материя, вероятно, состоит из небарионных частиц, таких как WIMP или аксионы. Тем не менее, существование некоторого количества MACHO не исключается. Они могут составлять небольшую часть тёмного гало (до 10—20%), а также вносить вклад в массу галактических балджей и дисков.

Критика и альтернативы

Гипотеза MACHO подвергалась критике по нескольким направлениям:

1. Барионное ограничение: Теория нуклеосинтеза Большого взрыва накладывает жёсткие ограничения на количество барионной материи во Вселенной. Если бы всё тёмное гало состояло из MACHO, это превысило бы предсказанный предел плотности барионов.
2. Отсутствие наблюдательных свидетельств: Прямые поиски старых белых карликов и коричневых карликов в гало Млечного Пути (например, с помощью телескопа «Хаббл») не выявили их в достаточном количестве.
3. Проблема формирования: Механизм образования огромного числа компактных объектов (например, чёрных дыр) в гало без сопутствующего образования звёзд остаётся неясным.

Основной альтернативой MACHO является гипотеза о небарионной тёмной материи, состоящей из гипотетических элементарных частиц (WIMP, аксионы, стерильные нейтрино). Эта гипотеза лучше согласуется с данными космологии и физики элементарных частиц.

Значение для астрофизики

Несмотря на то, что гипотеза MACHO не подтвердилась как объяснение природы тёмной материи, её проверка привела к важным научным результатам:

• Была доказана эффективность метода гравитационного микролинзирования для поиска невидимых объектов, что впоследствии стало одним из основных методов обнаружения экзопланет.
• Были получены ограничения на количество компактных объектов в гало Млечного Пути, что позволило сузить круг возможных кандидатов в тёмную материю.
• Были открыты тысячи событий микролинзирования, которые позволили изучать население звёзд и планет в нашей Галактике.

Источники

1. Alcock, C., et al. (2000). The MACHO Project: Microlensing Results from 5.7 Years of Large Magellanic Cloud Observations. The Astrophysical Journal, 542(1), 281—307.
2. Tisserand, P., et al. (2007). Limits on the Macho content of the Galactic Halo from the EROS-2 Survey of the Magellanic Clouds. Astronomy & Astrophysics, 469(2), 387—404.
3. Carr, B. J., & Sakellariadou, M. (1999). Dynamical constraints on dark matter in compact objects. The Astrophysical Journal, 516(1), 195—220.
4. Freese, K., Fields, B., & Graff, D. (2000). Death of Stellar Baryonic Dark Matter Candidates. arXiv:astro-ph/0002058.
5. Засов, А. В., Постнов, К. А. (2011). Общая астрофизика. Фрязино: Век 2.