Моделирование света, излучаемого двойной системой сверхмассивных черных дыр, где окружающий газ оптически тонкий (прозрачный). Вид под углом 0 градусов или прямо над плоскостью диска. Излучаемый свет представляет собой все длины волн. Фото предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Скотт Ноубл; Данные моделирования, d'Ascoli et al. 2018 год
Исследователи обнаружили связь между некоторыми из самых больших и самых маленьких объектов в космосе: сверхмассивными черными дырами и частицами темной материи.
Их новые расчеты показывают, что пары сверхмассивных черных дыр (СМЧД) могут сливаться в одну большую черную дыру из-за ранее упускаемого из виду поведения частиц темной материи, что предполагает решение давней «проблемы последнего парсека в астрономии».
Исследование описано в статье «Самовзаимодействующая темная материя решает последнюю проблему парсека при слиянии сверхмассивных черных дыр», опубликованной в этом месяце в журнале Physical Review Letters.
В 2023 году астрофизики объявили об открытии «гула» гравитационных волн, пронизывающих Вселенную. Они подозревали, что этот фоновый сигнал исходит от миллионов сливающихся пар СМЧД, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
Однако теоретическое моделирование показало, что сближение этих гигантских небесных тел, которые сближаются все ближе и ближе друг к другу, останавливается на расстоянии около одного парсека — расстоянии около трех световых лет — и, таким образом, происходит слияние. предотвращено.
Эта «последняя проблема парсека» противоречила не только теории о том, что сливающиеся черные дыры являются источником фонового гравитационного излучения, но и теории о том, что черные дыры образуются в результате слияния менее массивных черных дыр.
«Мы показываем, что учет ранее упускаемого из виду эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слияния», — говорит соавтор исследования Гонсало Алонсо-Альварес, постдокторант Института физики Университета Торонто и Факультет физики и Космический институт Тротье Университета Макгилла. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, вопреки тому, что считалось ранее».
Соавторами статьи являются профессор Джеймс Клайн из Университета Макгилла и факультета теоретической физики ЦЕРН в Швейцарии, а также Кейтлин Дьюар, студентка магистратуры по физике в Университете Макгилла.
Считается, что СМЧД находятся в центре большинства галактик. Когда две галактики сталкиваются, сверхмассивные чёрные дыры выходят на орбиту друг вокруг друга. Когда они вращаются вокруг друг друга, их притягивает и замедляет гравитационное притяжение соседних звезд. В результате сверхмассивные чёрные дыры сворачиваются внутрь и движутся к слиянию.
Предыдущие модели термоядерного синтеза показали, что, когда сверхмассивные черные дыры приближаются к парсеку, они начинают взаимодействовать с облаком темной материи или гало, в котором они заключены. Они показали, что гравитация спиральных сверхмассивных черных дыр выбрасывает частицы темной материи из системы, и возникающая в результате разреженность темной материи означает, что энергия не истощается из пары, и их взаимные орбиты больше не сжимаются.
Хотя эти модели игнорировали влияние темной материи на орбиты СМЧД, новая модель Алонсо-Альвареса и его коллег показывает, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом таким образом, что предотвращает их рассеяние. Плотность гало темной материи остается достаточно высокой, поэтому взаимодействия между частицами и СМЧД продолжают влиять на орбиты СМЧД, открывая путь для слияния.
«Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, — это наше предположение, дополнительный ингредиент, который включается не во все модели темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Наш тезис заключается в том, что только модели с этим ингредиентом могут решить окончательную проблему парсека».
Фоновый шум, создаваемый этими массивными космическими столкновениями, состоит из гравитационных волн с гораздо более длинными длинами волн, чем те, которые были впервые обнаружены в 2015 году астрофизиками в Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Эти гравитационные волны были созданы в результате слияния двух черных дыр, каждая из которых примерно в 30 раз массивнее Солнца.
Фоновый гул был обнаружен в последние годы учеными, работающими с системой синхронизации пульсаров. Массив обнаруживает гравитационные волны, измеряя крошечные колебания сигналов пульсаров. Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие мощные радиоимпульсы.
«Один из прогнозов нашего предложения заключается в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых с помощью хронометрических решеток пульсаров, должен быть ослаблен на низких частотах», — говорит Клайн. «Текущие данные уже предполагают такое поведение, и новые данные могут подтвердить это в ближайшие несколько лет».
Новый результат не только дает представление о столкновениях SBMH и фоновом сигнале гравитационных волн, но также дает представление о природе темной материи.
«Наша работа — это новый способ помочь нам понять корпускулярную природу темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи. Это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы».
Например, исследователи обнаружили, что взаимодействия между смоделированными ими частицами темной материи также объясняют формы гало галактических темной материи.
«Мы обнаружили, что окончательная проблема парсека может быть решена только в том случае, если частицы темной материи взаимодействуют со скоростью, которая может изменить распределение темной материи в галактических масштабах», — говорит Алонсо-Альварес. «Это было неожиданно, потому что физические масштабы, в которых происходят процессы, различаются на три или более порядков. Это захватывающе».
Информация от: Университетом Торонто.
