Так уж сложилось, что сверхмассивные черные дыры иногда сливаются. Но на протяжении десятилетий ученые не могли понять, как это происходит. И вот теперь, похоже, решение найдено - и все благодаря загадочной темной материи.
Астрофизики не понимают, как сверхмассивные черные дыры сближаются достаточно близко, чтобы слиться в единый объект - эта загадка называется «проблема последнего парсека», - но экзотическая форма темной материи вероятно поможет ее объяснить.
После того как пара галактик сливается воедино, их сверхмассивные черные дыры обычно начинают вращаться друг вокруг друга. В течение многих миллионов лет СМЧД гравитационно взаимодействуют с находящейся поблизости материей, отбрасывая ее в сторону. В результате возникает трение, которое постепенно замедляет движение черных дыр, заставляя их вращаться по спирали все ближе и ближе друг к другу.
Но когда они сближаются на расстояние до примерно 1 парсека — это чуть больше 3 световых лет, - между ними останется очень мало вещества. То есть материи настолько мало, что она не может обеспечить достаточное динамическое трение, необходимое для слияния черных дыр за время, меньшее, чем возраст Вселенной.
И хотя ученые понимают, что такие черные дыры в конечном итоге должны слиться в один более крупный объект - отчасти потому, что были зарегистрированы пульсации в пространстве-времени, которые, как утверждается, возникают в результате подобных слияний, - они не знают, как именно это происходит. Эта загадка называется “проблемой последнего парсека”.
Астрофизику Гонсало Алонсо-Бальварес и его команде из Университета Торонто в Канаде удалось обнаружить взаимосвязь между сверхмассивными черными дырами и темной материей. Стандартная концепция темной материи гласит, что ее частицы не взаимодействуют друг с другом, а значит, их выбрасывает из области вокруг сверхмассивных черных дыр, как это происходит с барионной материей. Однако, по расчетам исследователей, если бы частицы темной материи могли "отскакивать" друг от друга, то их количества было бы достаточно, чтобы замедлить движение черных дыр и привести к их слиянию.
«Если черные дыры движутся, то темная материя оказывает на них небольшое трение за счет гравитационного взаимодействия, подобно тому, как если бы вы двигались по воде», - говорит Алонсо-Бальварес. «Мы были очень удивлены, увидев, что столь малые взаимодействия могут иметь такое огромное влияние».
В Млечном Пути обнаружен "зародыш" сверхмассивной черной дыры — он в 8200 раз тяжелее Солнца
Чтобы темная материя могла взаимодействовать сама с собой, необходима какая-то другая частица, которая является "медиатором" таких процессов. Такие частицы -названные «темными фотонами» из-за их сходства с частицами света, уже предлагались ранее. По сути, факт существования самовзаимодействующей темной материи мог бы решить некоторые другие загадки галактической динамики, которые не укладываются в рамки стандартной модели космологии, считают ученые.
Однако это не единственное решение, предлагаемое для решения проблемы последнего парсека. Учитывая турбулентность и мягко скажем «некоторый хаос» в большинстве галактик, ряд астрофизиков предположил, что обычная материя вблизи сверхмассивных черных дыр может просто восполняться по мере разбегания галактик.
«Я убежден, что эта модель будет работать, но не уверен, что это необходимо», - говорит Люк Золтан Келли из Калифорнийского университета в Беркли. «Скорее всего, проблема последнего парсека решается комбинацией различных процессов».
Однако если эта идея подтвердится, она может предоставить уникальную возможность для изучения физики темной материи. «Подобная самовзаимодействующая темная материя может изменить аккреционные потоки газа в галактиках или динамику самих слияний, и если это действительно так, то мы сможем это обнаружить», - говорит Келли. В настоящее время исследователи работают над созданием более сложных симуляций, которые позволят выявить влияние самовзаимодействующей темной материи на галактики и сверхмассивные черные дыры, находящиеся в их центральных областях.
Physical Review Letters: "Несмотря на астрофизическую неопределенность в отношении детальной природы этих процессов, нет никаких сомнений в том, что вокруг бинарных сверхмассивных черных дыр наблюдаются всплески темной материи, которые усиливают динамическое трение и ускоряют распад орбит СМЧД"
Аннотация к научной статье
Самовзаимодействующая темная материя решает проблему последнего парсека при слиянии сверхмассивных черных дыр
Доказательства существования стохастического гравитационно-волнового фона (ГВ), предположительно возникающего в результате слияния сверхмассивных черных дыр (СМЧД), становятся все более убедительными в том числе благодаря наблюдениям с помощью массива синхронизации пульсаров. Остается нерешенным вопрос о том, как инспирирующие сверхмассивные черные дыры преодолевают «последний парсек» сепарации, где они имеют тенденцию «затормозиться», прежде чем эмиссия ГВ приведет бинар к слиянию. В рамках данной работы ученые предположили, что динамическое трение от всплеска темной материи (ТМ), окружающей черные дыры, достаточно для решения этой проблемы, при условии, что темная материя имеет порядок сечения слабого взаимодействия около см 2/г. Этот же эффект приводит к смягчению спектра ГВ на низких частотах, что подтверждается существующими данными.
Для холодной темной материи в отсутствие коллизий трение отдает столько энергии, что всплеск распадается и не может преодолеть последний парсек, но в случае самовзаимодействующей темной материи изотермическое ядро гало может служить резервуаром для энергии, высвобождаемой из орбит сверхмассивных черных дыр.
Предполагается, что реалистичная зависимость от скорости, например, возникающая при обмене массивным медиатором, таким как темный фотон, хорошо согласуется со спектром гравитационных волн, обеспечивая при этом достаточно крупное ядро. Подобная зависимость от скорости была предложена для решения проблемы мелкомасштабной структуры холодной темной материи.