Темна матерія розкриває таємницю існування надмасивних чорних дір

Темна матерія може забезпечити надмасивні чорні діри необхідними гальмами, щоб звести їх разом у кінці довгої, спіральної подорожі до їхньої долі. Згідно з новим математичним моделюванням, головоломка, відома як проблема останнього парсека, може бути розв’язана наявністю частинок самовзаємодіючої темної матерії, які залишаються скупченими навколо чорних дір, дозволяючи їм подолати остаточну відстань між ними.

Це відкриття свідчить про те, що таємнича матерія, яка надає Всесвіту додаткову гравітацію, повинна бути здатна взаємодіяти сама з собою, оскільки проблему неможливо вирішити за допомогою моделей темної матерії, що не взаємодіють.

«Ми показуємо, що включення ефекту темної матерії, на який раніше не звертали уваги, може допомогти надмасивним чорним дірам подолати цей останній парсек поділу та злитися», — каже фізик Гонсало Алонсо-Альварес з Університету Торонто та Університету Макгілла. «Наші розрахунки пояснюють, як це може статися, на відміну від того, що вважалося раніше».

Знайдені в серцях галактик надмасивні чорні діри ставлять астрономів перед величезною загадкою. Ми знаємо, що чорні діри меншого розміру утворюються з колапсованих ядер масивних зірок, у яких закінчилося паливо для термоядерного синтезу, і вони викинули космічний ковш. Ці менші маси можуть зливатися у більші; наймасштабніше злиття чорних дір, виявлене на сьогодні, породило об’єкт з масою, еквівалентною 142 Сонцям.

Надмасивні чорні діри в мільйони до мільярдів разів перевищують масу Сонця. Розумно припустити, що вони можуть стати такими великими, злившись з іншими чорними дірами розміром з чудовисько. Протягом усієї історії Всесвіту ми навіть помічали надмасивні чорні діри, які кружляли одна над одною після того, як їхні галактики злилися, мабуть, на шляху остаточного зіткнення.

Однак незрозуміло, як ці надмасивні чорні діри стикаються. Згідно з моделями, коли надмасивні чорні діри обертаються одна над одною, вони передають свою орбітальну енергію зіркам і газу навколо них, внаслідок чого їхня орбіта стає все меншою і меншою. У міру того, як їх віддаленість зменшується, кількість речей, які можуть вкрасти їх імпульс, також зменшується.

До того моменту, коли вони перебувають на відстані приблизно одного парсека одна від одної – приблизно 3,2 світлових роки – їхнє галактичне сусідство вже не може підтримувати подальший розпад орбіти, тому орбіта чорних дір стабілізується на дуже тривалий період часу. Як довго? Ну, принаймні довше, ніж існує Всесвіт.

Один зі способів визначити, чи дійсно надмасивні чорні діри злилися в минулому, включає гравітаційні хвилі; великі хвилі в тканині простору-часу, викликані великими масами, коли вони змінюють швидкість. Якщо надмасивні чорні діри стикаються по всьому Всесвіту, має бути характерний фоновий «гул» дуже низькочастотних гравітаційних хвиль, які постійно брижуть у всьому Всесвіті.

Нарешті ми виявили фоновий гул гравітаційної хвилі. Це означає, що ми пропускаємо важливу частину історії про зіткнення надмасивної чорної діри.

Це остання проблема парсека.

Темна матерія може бути тим, чого нам не вистачає. З усім тим, згідно з попередніми моделями злиття надмасивних чорних дір, їхня гравітаційна взаємодія повинна також викидати частинки темної матерії з системи, які інакше могли б поглинути останню частину орбітальної енергії.

Тепер проблема з темною матерією полягає в тому, що ми не знаємо, що це таке. Він не взаємодіє зі звичайною матерією Всесвіту поза межами свого тяжіння, що робить його надзвичайно важким для дослідження. Насправді ми називаємо це темною матерією як термін-заповнювач, і вчені намагаються з’ясувати її властивості, вивчаючи поведінку Всесвіту іншими способами.

Алонсо-Альварес і його колеги задалися питанням, чи не поспішали ми, викидаючи темну матерію як рішення, тому вони розробили математичні моделі, щоб перевірити це. І вони виявили, що темна матерія, яка взаємодіє сама з собою, може залишатися поблизу надмасивних чорних дір, що зливаються, надаючи чорним дірам щось, куди вони можуть передати свою останню орбітальну енергію, щоб вони могли нарешті обійняти, утворюючи одну надзвичайно велику надмасивну чорну діру.

На цей час результати є досить теоретичними, але вони роблять прогнози, які можна спостерігати. Наприклад, знахідки передбачають пом’якшення фонового шуму гравітаційної хвилі, натяки на що вже були помічені. Результати також можуть бути використані для розуміння ореолів темної матерії, які оточують галактики по всьому Всесвіту, оскільки частинки повинні взаємодіяти в галактичному масштабі, щоб розв’язати останню проблему парсека.

Нарешті, дослідники кажуть, що їхні відкриття являють собою новий інструмент для з’ясування таємниць темної матерії.

«Наша робота — це новий спосіб допомогти нам зрозуміти частинкову природу темної матерії», — каже Алонсо-Альварес. «Ми виявили, що еволюція орбіт чорних дір дуже чутлива до мікрофізики темної матерії, і це означає, що ми можемо використовувати спостереження за злиттям надмасивних чорних дір, щоб краще зрозуміти ці частинки». Дослідження опубліковано в Physical Review Letters.