Вчені пояснили злиття чорних дірок взаємодією темної матерії самої із собою

Астрофізики створили нову модель утворення надмасивних чорних дірок — вони виникають із чорних дірок поменше, злиття яких можливе завдяки внутрішній взаємодії темної матерії.   

У новому дослідженні запропонували рішення давньої загадки про те, як утворюються найбільш важкі об’єкти у Всесвіті — надмасивні чорні дірки. У 2023 році астрофізики виявили фоновий шум — гул наногерцевих гравітаційних хвиль, що приходять з усіх напрямків, що заповнює космос. І припустили, що цей сигнал походить від мільйонів пар чорних дірок, що зливаються, кожна з яких у мільярди разів масивніша за наше Сонце.

Однак, теоретичні моделі показали, що в міру того, як ці гігантські космічні об’єкти зближуються по спіралі, їхній рух зупиняється на відстані близько одного парсека один від одного. Тобто дистанція трохи більше 3 світлових років перешкоджає злиттю. Цей феномен отримав назву «проблема останнього парсека».

Проблема не тільки в суперечності теорії про те, що чорні діри, що зливаються, є джерелом гравітаційного фону, а й у розбіжності з теорією, згідно з якою надмасивні чорні діри ростуть шляхом злиття менш масивних чорних дір. 

У поточних поданнях гравітація, створювана настільки масивними об’єктами, розсіює частинки темної матерії, зменшуючи їх щільність. Через це тертя, що виникає між чорними дірками та темною матерією, не дозволяє їм зблизитися. 
 
Вони лише описують танець по спіральних орбітах один навколо одного в центрах своїх галактик і застигають в «останньому кроці», «зав’язавши» в темній матерії перед злиттям.

Темна матерія — це невидима матерія, що становить близько 95 відсотків матерії у Всесвіті. Ми не можемо її побачити безпосередньо, але її гравітаційний вплив на видиму матерію є незаперечним.
 
Нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, запропонувало вирішення цієї загадки. Автори показали, що ефект темної матерії, що раніше ігнорувався, взаємодіяти з самою собою допомагає чорним дірам подолати цей останній парсек поділу і злитися. 
 
Відповідно до такої моделі сама внутрішня взаємодія темної матерії підтримує її щільність навколо пари чорних дір, що зливаються. Це дозволяє гравітації між чорними дірками та темною матерією продовжувати діяти, зменшуючи їх орбіти та призводячи до їх злиття. Відкриття також пояснює походження фону наногерцевих гравітаційних хвиль.
 
Астрофізики також передбачили, що спектр гравітаційних хвиль, що спостерігається за допомогою пульсарних тимчасових спостережень (методу виявлення гравітаційних хвиль по пульсарах), повинен бути пом’якшений на низьких частотах. Це узгоджується з існуючими даними, і нові спостереження можуть підтвердити це в найближчі роки.

Крім розв’язання проблеми останнього парсека, такий підхід стає інструментом у вивченні властивостей найтемнішої матерії. Оскільки рух надмасивних чорних дірок чутливий до властивостей темної матерії, спостереження за їх злиттям допоможе краще зрозуміти природу цих загадкових частинок.

Так дослідники вже виявили, що змодельована ними взаємодія між частинками темної матерії також пояснює форму галактичного гало (сферичного утворення, в яке занурена кожна галактика, що складається в основному з темної матерії).
 
Таким чином, нова модель не тільки вирішує проблему останнього парсека, пояснюючи природу виникнення надмасивних чорних дірок, а й проливає світло на темну матерію, — найзагадковіше явище у сучасному Всесвіті.

Є й інша точка зору на наногерцеві гравітаційні хвилі. У 2021 році фізик Миколи Горькавий спрогнозував, що Всесвіт має бути пронизаний реліктовими наногерцевими гравітаційними хвилями. Але породжені вони не злиттям звичайних чорних дірок, а злиттям маси особливо великих чорних у момент колапсу минулого Всесвіту.