Когда галактики сталкиваются, их сверхмассивные черные дыры вступают в гравитационный танец, постепенно вращаясь вокруг друг друга все ближе, пока в конечном итоге… не сливаются. Мы знаем, что они сливаются, потому что мы видим гравитационных зверей, которые возникают в результате этого, и мы обнаружили гравитационные волны, которые они испускают по мере своего вдохновения. Но детали их окончательного завершения остаются загадкой. Теперь новая статья предполагает, что часть этой загадки может быть решена с помощью небольшого количества темной материи.
Точно так же, как знаменитая задача трёх тел не имеет общего аналитического решения для ньютоновской гравитации, так и задача двух тел не имеет общего решения в общей теории относительности. Итак, нам приходится прибегнуть к компьютерному моделированию, чтобы смоделировать, как черные дыры вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются. Для бинарных черных дыр, которые расположены относительно далеко друг от друга, наше моделирование работает очень хорошо, но когда черные дыры расположены близко друг к другу, все усложняется. Уравнения Эйнштейна очень нелинейны, и моделирование динамики сильно взаимодействующих черных дыр затруднено.
В результате имеющиеся у нас модели не показывают слияния черных дыр. Вместо этого они вдохновляются до тех пор, пока не окажутся друг от друга примерно на парсек, а затем стабилизируются. Это известно как проблема окончательного парсека. Одна из идей решения этой проблемы — ввести в смесь темную материю. В конце концов, согласно стандартной космологической модели, холодная темная материя присутствует почти повсюду, поэтому она, вероятно, играет роль в слияниях сверхмассивных черных дыр. Но пока кажется, что холодная темная материя не является ответом. Моделирование с его использованием имеет ту же проблему финального парсека, что и общая теория относительности.
В этом новом исследовании команда рассматривает разновидность темной материи, известную как нечеткая темная материя. Она похожа на стандартную холодную темную материю, за исключением того, что состоит из скалярных частиц малой массы. Поскольку эти частицы не будут взаимодействовать друг с другом ничем, кроме гравитации, они не будут группироваться так же, как обычная темная материя, и, таким образом, будут иметь более «нечеткое» распределение.
Нечеткая темная материя была впервые предложена для решения так называемой проблемы каспа карликовых галактик, которая является слабым местом темной материи. Здесь авторы показывают, что нечеткая темная материя может увеличить скорость распада орбит черных дыр, особенно крупнейших из сверхмассивных черных дыр. Это могло бы объяснить появление некоторых монстров, которых мы наблюдали в сердце некоторых эллиптических галактик.
Но работа не доказывает, что нечеткая темная материя является решением. Детали заключительного этапа вдохновляющих черных дыр все еще, скажем так, немного неясны. Чтобы доказать или опровергнуть эту идею, потребуются прямые наблюдения сверхмассивных черных дыр. К счастью, будущие наблюдения NANOGrav или планируемая гравитационно-волновая обсерватория LISA смогут увидеть такие слияния. Тогда наше понимание того, как сливаются самые большие черные дыры в космосе, не будет таким размытым.
Ссылка: Ку, Хёнмо и др. «Окончательная проблема парсека слияний черных дыр и сверхлегкой темной материи». Препринт arXiv arXiv:2311.03412 (2023).
