Новое исследование предполагает, что сверхмассивные черные дыры, существовавшие в космосе, когда его возраст не достигал и миллиарда лет, могли сформироваться при участии темной материи. Это самое загадочное вещество во Вселенной.
Проблема первых черных дыр
С момента начала передачи данных телескопом Джеймс Уэбб летом 2022 года ученые получили любопытную загадку. Телескоп находил сверхмассивные черные дыры уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Это создает проблему, потому что процессы слияния и поглощения материи, позволяющие черным дырам достигать массы в миллионы или миллиарды масс Солнца, должны занимать как минимум миллиард лет.
Новый механизм роста
Ученые активно искали механизм роста, который объяснил бы появление таких гигантов в ранней Вселенной. Одна команда исследователей предположила, что космические титаны могли возникнуть раньше срока из-за изменений в галактиках, вызванных энергией распада темной материи. Один из предложенных механизмов для раннего роста черных дыр — это прямое схлопывание огромных облаков газа и пыли. Это позволяет сразу сформировать черную дыру-семя, не дожидаясь рождения, жизни и смерти массивной звезды. Однако этот процесс все равно требует, чтобы звезды светили на эти облака и передавали им энергию. Но такое случается редко. Слишком редко, чтобы объяснить обилие ранних сверхмассивных дыр, которые видит Уэбб. Исключением становится ситуация, когда есть другой источник энергии.
Мнение исследователей
Руководитель группы Яш Аггарвал из университета Калифорнии в Риверсайде пояснил, что их исследование показывает, как распадающаяся темная материя может глубоко изменить эволюцию первых звезд и галактик с повсеместными последствиями для Вселенной. Поскольку Уэбб сейчас открывает все больше сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, этот механизм может помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдениями.
Распадается ли темная материя?
Темная материя составляет 85 процентов всей материи космоса. Она не взаимодействует со светом, то есть с электромагнитным излучением. Это делает ее невидимой и одновременно доказывает ученым, что темная материя не может состоять из электронов, нейтронов и протонов — частиц, из которых сложены атомы звезд, планет, наших тел и всего, что нас окружает. Это подстегнуло поиск частиц за пределами стандартной модели физики. Гипотетические частицы темной материи обладают разными массами и возможными свойствами, включая распад на более мелкие частицы с выделением крошечной порции энергии, сообщает Space.com.
Энергия из распада
Аггарвал и его коллега Флип Танедо считают, что для подпитки первичных газовых облаков достаточно энергии, равной одной миллиардной триллионной доли энергии одной батарейки АА. И распад темной материи способен это обеспечить. Танедо добавил, что первые галактики представляют собой шары из чистого водорода, химические свойства которого невероятно чувствительны к инъекции энергии на атомном уровне. Это те свойства, которые исследователи хотят видеть в детекторе темной материи. Сигнатурой таких детекторов могут быть те сверхмассивные черные дыры, которые ученые наблюдают сегодня.
Важные цифры и совпадения
Работа позволила команде установить гипотетический диапазон масс для частиц темной материи — от 24 до 27 электронвольт. Такие частицы способны запустить создание черных дыр прямого коллапса, что дает сверхмассивным дырам фору в росте. Вывод исследователей опирается на серию удачных совпадений, позволивших объединить физиков, изучающих частицы, космологов и астрофизиков для создания теории космического совпадения. Танедо подчеркнул, что правильная среда из темной материи помогает сделать совпадение с черными дырами прямого коллапса гораздо более вероятным. И точно так же поддержка междисциплинарной работы помогла сделать возможным то совпадение, которое привело к этому исследованию.