Астрофизики создали новую модель образования сверхмассивных черных дыр — они возникают из черных дыр поменьше, слияние которых возможно благодаря внутреннему взаимодействию темной материи.
В новом исследовании предложили решение давней загадки о том, как образуются самые тяжеловесные объекты во Вселенной — сверхмассивные черные дыры. В 2023 году астрофизики обнаружили фоновый шум — гул наногерцевых гравитационных волн приходящих со всех направлений, заполняющий космос. И предположили, что этот сигнал исходит от миллионов сливающихся пар черных дыр, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
Однако, теоретические модели показали, что по мере того, как эти гигантские космические объекты сближаются по спирали, их движение останавливается на расстоянии около одного парсека друг от друга. То есть дистанция в чуть более 3 световых лет препятствует слиянию. Этот феномен получил название «проблема последнего парсека».
Проблема не только в противоречии теории о том, что сливающиеся черные дыры являются источником гравитационного фона, но и в расхождении с теорией, согласно которой сверхмассивные черные дыры растут за счет слияния менее массивных черных дыр.
В текущих представления гравитация, создаваемая столь массивными объектами, рассеивает частицы темной материи, уменьшая их плотность. Из-за этого трение, возникающее между черными дырами и темной материей, не позволяет им сблизиться.
Они лишь описывают танец по спиральным орбитам друг вокруг друга в центрах своих галактик и застывают в «последнем шаге», «завязнув» в темной материи перед самым слиянием.
Темная материя — это невидимая материя, составляющая около 95 процентов материи во Вселенной. Мы не можем ее увидеть напрямую, но ее гравитационное влияние на видимую материю неоспоримо.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предложило решение этой загадки. Авторы показали, что ранее игнорировавшийся эффект темной материи взаимодействовать с самой собой помогает черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слиться.
Согласно такой модели само внутреннее взаимодействие темной материи поддерживает ее плотность вокруг пары сливающихся черных дыр. Это позволяет гравитации между черными дырами и темной материей продолжать действовать, уменьшая их орбиты и приводя к их слиянию. Открытие также объясняет происхождение фона наногерцевых гравитационных волн..
Астрофизики также предсказали, что спектр гравитационных волн, наблюдаемый с помощью пульсарных временных наблюдений (метода обнаружения гравитационных волн по пульсарам), должен быть смягчен на низких частотах. Это согласуется с уже существующими данными, и новые наблюдения могут подтвердить это в ближайшие годы.
Кроме решения проблемы последнего парсека, такой подход становится инструментов в изучении свойств самой темной материи. Поскольку движение сверхмассивных черных дыр чувствительно к свойствам темной материи, наблюдения за их слиянием поможет лучше понять природу этих загадочных частиц.
Так исследователи уже обнаружили, что смоделированное ими взаимодействие между частицами темной материи также объясняет форму галактического гало (сферического образования, в которые погружена каждая галактика, состоящее в основном из темной материи).
Таким образом, новая модель не только решает проблему последнего парсека, объясняя природу возникновения сверхмассивных черных дыр, но и проливает свет на темную материю, — самое загадочное явление в современной Вселенной.