Темная материя может дать сверхмассивным черным дырам тот самый толчок, который им нужен для финального столкновения после долгого спирального танца. Новое математическое моделирование показывает, что загадка, известная как «проблема последнего парсека», может быть решена благодаря наличию частиц само-взаимодействующей темной материи. Скапливаясь вокруг черных дыр, эта материя позволяет им преодолеть последний рубеж, отделяющий их от слияния.
Это открытие предполагает, что загадочная субстанция, наделяющая Вселенную дополнительной гравитацией, должна быть способна взаимодействовать сама с собой, поскольку модели с невзаимодействующей темной материей не могут решить эту проблему.
«Мы показали, что учет ранее игнорировавшегося влияния темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слиться», – говорит физик Гонсало Алонсо-Альварес из Университета Торонто и Университета Макгилла. «Наши расчеты объясняют, как это может происходить, в отличие от того, что считалось ранее».
Сверхмассивные черные дыры, расположенные в сердцах галактик, загадывают астрономам грандиозную загадку. Мы знаем, что черные дыры меньшего размера образуются из коллапсирующих ядер массивных звезд, исчерпавших свое термоядерное топливо и завершивших свой космический путь. Эти объекты могут сливаться в более крупные; самое массивное слияние черных дыр, зарегистрированное на сегодняшний день, привело к появлению объекта массой 142 Солнца.
Однако сверхмассивные черные дыры в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца! Разумно предположить, что они достигают таких размеров, поглощая другие черные дыры. Мы даже наблюдали сверхмассивные черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга после слияния их галактик, на протяжении всей истории Вселенной, казалось бы, находящиеся на пути к неизбежному столкновению.
Тем не менее, неясно, как именно сталкиваются эти космические гиганты. Согласно моделям, вращаясь друг вокруг друга, сверхмассивные черные дыры передают свою орбитальную энергию окружающим звездам и газу, в результате чего их орбита сужается. По мере уменьшения расстояния между ними сокращается и количество вещества, способного поглощать их импульс. К тому времени, когда они оказываются на расстоянии около одного парсека (3,2 световых года) друг от друга, их галактическое окружение больше не может поддерживать дальнейшее затухание орбиты, и черные дыры оказываются в устойчивой орбите, которая может длиться очень долго.
Как долго? Дольше, чем существует сама Вселенная.
Один из способов определить, действительно ли сверхмассивные черные дыры сталкивались в прошлом, — это гравитационные волны, гигантские ряби пространства-времени, возникающие при изменении скорости массивных объектов. Если столкновения сверхмассивных черных дыр происходят по всей Вселенной, то должен существовать характерный фоновый «гул» очень низкочастотных гравитационных волн, постоянно распространяющихся по космосу. И такой гул был обнаружен!
Это означает, что нам не хватает важной части головоломки в столкновениях сверхмассивных черных дыр. Вот здесь на сцену выходит «проблема последнего парсека».
Возможно, недостающим звеном является темная материя. Однако, согласно предыдущим моделям слияния сверхмассивных черных дыр, их гравитационное взаимодействие должно отталкивать частицы темной материи от системы, лишая черные дыры возможности передать им последний остаток орбитальной энергии.
Проблема с темной материей в том, что мы не знаем, что это такое. Она не взаимодействует с обычной материей Вселенной иначе, чем посредством гравитационного притяжения, что делает ее изучение чрезвычайно сложным.
«Темная материя» — это всего лишь условное обозначение, и ученые пытаются разгадать ее свойства, изучая поведение Вселенной другими способами.
Алонсо-Альварес и его коллеги задались вопросом, не слишком ли поспешно мы отмели темную материю как возможное решение, и разработали математические модели для проверки этой идеи.
Они обнаружили, что темная материя, способная к само-взаимодействию, может оставаться вблизи сливающихся сверхмассивных черных дыр, предоставляя им возможность передать свою последнюю орбитальную энергию и, наконец, слиться в одну сверхгигантскую черную дыру.
На данный момент результаты являются в значительной степени теоретическими, но они позволяют делать проверяемые прогнозы. Например, исследование предсказывает смягчение фонового гула гравитационных волн, намеки на которое уже наблюдаются.
Полученные результаты также могут быть использованы для изучения гало темной материи, окружающих галактики по всей Вселенной, поскольку для решения «проблемы последнего парсека» частицы должны взаимодействовать в галактическом масштабе.
Наконец, исследователи говорят, что их открытие представляет собой новый инструмент для разгадки тайн темной материи.
«Наша работа — это новый способ понять природу частиц темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это значит, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр для лучшего понимания этих частиц».
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Читайте также: Загадочные глубины Вселенной: темная материя из пятого измерения
