Американские ученые предложили оригинальную гипотезу образования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Авторы статьи, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, считают, что эти гигантские объекты возникли в результате коллапса гало темной материи.
Сверхмассивные черные дыры — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. Такие объекты расположены в центре многих галактик, включая Млечный Путь.
Астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали в нашей Вселенной практически с самого начала — древнейшие из них имеют возраст 13,7 миллиарда лет. При этом общий возраст Вселенной составляет 13,799 миллиарда лет. До сих пор ученые не могут однозначно объяснить, как за столь короткое время смогли появиться такие массивные объекты.
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде и Института космологической физики Чикагского университета представили модель, согласно которой массивные черные дыры могли образоваться в результате самовзаимодействия частиц темной материи.
Хотя темная материя пока не обнаружена в явном виде, физики уверены, что она составляет до 85 процентов материальной части Вселенной. Ее невидимый ореол — гало — окружает галактики и скопления галактик. Ученые считают, что если бы видимая материя галактики не была заключена в гало темной материи, она моментально разлетелась бы в разные стороны.
“Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры, расположенные в центральных областях гало темной материи, так сильно выросли за короткое время, — приводятся в пресс-релизе Калифорнийского университета в Риверсайде слова руководителя исследования доцента физики и астрономии Хай-Бо Ю (Hai-Bo Yu). — Это как если бы пятилетний ребенок весил, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы всех, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Также и у физиков есть общие представления относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Наличие молодых сверхмассивных черных дыр говорит о том, что существующие представления неверны”.
По словам ученых, здесь могут быть два объяснения: либо зародыши черных дыр сразу очень большие, либо черные дыры растет намного быстрее, чем думали.
“Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи, — объясняет еще один автор статьи И-Мин Чжун из Чикагского университета. — Наша модель показывает, что если темная материя взаимодействует сама с собой, то гравитермический коллапс гало может привести к образованию достаточно массивного зародыша черной дыры. При этом скорость ее роста будет соответствовать общим ожиданиям”.
До сих пор считали, что сверхмассивные черные дыры формируются в процессе коллапса чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной. Однако этот механизм не может привести к созданию массивного зародыша, поэтому предполагает, что сверхвысокой была скорость роста.
“Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру, — объясняет Ю. — Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи. Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени”.
Согласно гипотезе авторов, частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи, на который действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. При взаимодействии они, наоборот, притягиваются, и в какой-то момент гало схлопывается до особого состояния — зародышевой черной дыры.
