Сверхмассивные черные дыры — это ошеломляющие чудовища природы. Землянам трудно постичь их величину и мощь. Астрофизики потратили десятилетия на их изучение и добились прогресса. Но одна проблема все еще сбивает с толку даже их: проблема последнего парсека.
Новые исследования, возможно, решили эту проблему, и темная материя играет в этом определенную роль.
Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) могут быть в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Данные показывают, что они могут находиться в центре всех крупных галактик. В Млечном Пути есть одна, и она называется Стрелец А* (Sgr A*).
SMBH становятся такими массивными, сливаясь с другими SMBH, когда их родительские галактики сливаются. Но есть проблема. Астрофизики не понимают, как две SMBH могут закрыть последний парсек, который их разделяет.
Когда черные дыры сливаются, они начинаются как двойной объект. Они вращаются по спирали вокруг друг друга, каждая из которых несет свой собственный импульс. Чтобы слиться, черным дырам нужно сбросить энергию. Для этого они сбрасывают энергию в окружающий газ и пыль, которые затем рассеиваются. Но когда они удаляются друг от друга примерно на три световых года или примерно на один парсек, газа и пыли просто не хватает, чтобы поглотить необходимую энергию.
Однако сверхмассивные черные дыры сливаются, и так или иначе природа решает проблему конечного парсека (FPP).
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, представляет решение проблемы FPP. Исследование под названием «Самовзаимодействующая темная материя решает последнюю парсековую проблему слияний сверхмассивных черных дыр». Первый автор — Гонсало Алонсо-Альварес, научный сотрудник на кафедре физики в Университете Торонто, Канада.
«Наша работа — это новый способ понять корпускулярную природу темной материи».
Гонсало Алонсо-АльваресФизический факультет, Университет Торонто
Нет никаких сомнений в том, что черные дыры звездной массы могут сливаться. LIGO/Virgo обнаружил гравитационные волны, возникающие при многих слияниях черных дыр звездной массы, что является прямым доказательством того, что черные дыры могут сливаться. Однако доказательства слияний сверхмассивных черных дыр неуловимы.
В 2023 году ученые объявили об обнаружении постоянного фонового гула гравитационных волн. Это обнаружение было получено из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav). NANOGrav собирала данные о гравитационных волнах в течение 15 лет, используя хронометраж пульсаров.
Различные группы исследователей выдвинули гипотезу, что гул исходит от слияний СМЧД. В одной из статей исследователи заявили, что гул исходит от сотен тысяч пар сливающихся СМЧД. Каким-то образом эти СМЧД преодолевают FPP.
В своей новой статье Алонсо-Альварес и его коллеги-исследователи показывают, как темная материя позволяет сверхмассивным черным дырам сливаться, несмотря на проблему последнего парсека. «Мы показываем, что включение ранее упускаемого из виду эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и объединиться», — сказал Алонсо-Альварес. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее».
Астрофизики долгое время работали над FPP. Разные исследователи разработали разные модели, чтобы попытаться объяснить, как сливаются сверхмассивные черные дыры, и эти модели включают темную материю. Однако предыдущие модели слияния показали, что темная материя вблизи спиральных черных дыр выбрасывается из области слияния гравитацией, созданной спиральными дырами. Без этой темной материи для поглощения энергии пара сверхмассивных черных дыр не сможет преодолеть FPP.
Но в этом новом исследовании темная материя взаимодействует сама с собой и «всплесками» вместо того, чтобы рассеиваться. Всплески темной материи — это теоретические концентрации темной материи вокруг черной дыры. По мере роста сверхмассивной черной дыры она притягивает к себе обычную материю. Тот же процесс может привести к всплеску темной материи вокруг черной дыры. Ее плотность остается достаточно высокой, чтобы она могла поглотить достаточно энергии для того, чтобы пара сверхмассивных черных дыр продолжила свое движение по спирали. В конце концов они преодолевают FPP и сливаются в одну.
Все зависит от самовзаимодействия темной материи.
«Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, — это предположение, которое мы сделали, дополнительный ингредиент, который не все модели темной материи содержат», — сказал Алонсо-Альварес. «Наш аргумент заключается в том, что только модели с этим ингредиентом могут решить окончательную задачу парсека».
Физики не уверены, что темная материя может взаимодействовать сама с собой. Стандартная модель утверждает, что темная материя взаимодействует в основном посредством гравитации. Но накапливаются новые доказательства того, что она может взаимодействовать сама с собой, и физики называют это теорией самовзаимодействующей темной материи.
Другое исследование рассматривало всплески темной материи вблизи сливающихся черных дыр. Согласно этому исследованию, динамическое трение между черными дырами и всплеском DM может рассеять всплеск. Однако это новое исследование утверждает, что только SIDM может эффективно перемещать тепло наружу и восполнять всплеск DM. В отличие от бесстолкновительной темной материи, всплеск SIDM поддерживает себя и позволяет спиралевидным черным дырам сбрасывать достаточно энергии и пересекать конечную проблему парсека.
Дополнительные данные в поддержку этой гипотезы можно найти в природе фонового гравитационного волнового гула, о котором ученые объявили в 2023 году. Он был измерен с помощью пульсарного хронометража, и волны показали смягчение на низких частотах. По словам Алонсо-Альвареса, их модель предсказывает это явление, что подтверждает их работу.
«Предсказание нашего предложения заключается в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых синхронизирующими массивами пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах», — сказал соавтор профессор Джеймс Клайн из Университета Макгилла и теоретического физико-технического факультета ЦЕРНа в Швейцарии. «Текущие данные уже намекают на такое поведение, и новые данные, возможно, смогут подтвердить его в ближайшие несколько лет».
Это исследование выходит за рамки слияний сверхмассивных чёрных дыр и затрагивает природу самой тёмной материи. Самовзаимодействия, которые смоделировали исследователи, могут помочь объяснить форму гало тёмной материи вокруг галактик.
«Наша работа — это новый способ помочь нам понять корпускулярную природу темной материи», — сказал Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, и это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы».
«Несмотря на астрофизическую неопределенность относительно их детальной природы, нет никаких сомнений в том, что выбросы темной материи существуют вокруг сверхмассивных двойных черных дыр и, таким образом, способствуют динамическому трению, ускоряющему разрушение их орбиты», — пишут авторы в заключении своей статьи.
«Мы обнаружили, что окончательная проблема парсека может быть решена только в том случае, если частицы темной материи будут взаимодействовать со скоростью, которая может изменить распределение темной материи в галактических масштабах», — сказал Алонсо-Альварес. «Это было неожиданно, поскольку физические масштабы, в которых происходят процессы, отличаются на три или более порядков. Это волнующе».
