Черные дыры считаются самыми захватывающими из всех астрофизических объектов. Было выдвинуто множество гипотез относительно их образования, особенно в случае сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Недавно канадские исследователи, используя новый подход, выявили связь между сверхмассивными черными дырами и частицами темной материи. В новом исследовании они предполагают, что на слияние SMBH с образованием одной, более массивной черной дыры влияет поведение частиц темной материи. Это открытие, по их мнению, может помочь решить «проблему последнего парсека».
В гравитационных объятиях сверхмассивные черные дыры медленно притягиваются друг к другу. По мнению астрономов, их постепенное сближение должно вызывать пульсацию в структуре пространства-времени, которую можно обнаружить с Земли. Собственно, именно это и предполагало научное сообщество в 2023 году, когда был обнаружен постоянный «гул» гравитационных волн, эхом разносящийся по Вселенной. По мнению исследователей, этот сигнал, также известный как «шепот Вселенной», может быть вызван слиянием миллионов сверхмассивных черных дыр на протяжении миллиардов лет.
Однако моделирование показало, что когда пары СМЧД приближаются друг к другу по спирали, их сближение прекращается, когда они находятся на расстоянии около одного парсека (около трех световых лет), как будто они отталкиваются друг от друга, препятствуя слиянию. Именно этот результат дал название «проблеме последнего парсека».
Недавно исследовательская группа из Университета Торонто и Университета Макгилла под руководством Гонсало Алонсо-Бальвареса, похоже, нашла решение в новом исследовании, опубликованном в журнале . По их мнению, ключ кроется во включении темной материи, которая долгое время недооценивалась в этом процессе. «Мы показываем, что включение ранее игнорируемого эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слиться. Наши расчеты показывают, как это может произойти, вопреки тому, что считалось ранее«, — объясняет Алонсо-Бальварес в пресс-релизе Университета Торонто.
Что, если темная материя не является пассивной субстанцией, не способной к взаимодействию?
Одной из самых загадочных субстанций во Вселенной, несомненно, является темная материя (считается, что она составляет около 85 % материи в космосе). Хотя ее не видно, она свидетельствует о своем присутствии через гравитационное воздействие на видимую материю. Долгое время ученые считали эту материю пассивной и невзаимодействующей. Однако, возможно, это не так. Алонсо-Бальварес и его команда предполагают, что если бы частицы темной материи обладали свойством самовзаимодействия, то это дало бы дополнительный импульс для «объединения» СМЧД. Эта «самовзаимодействующая темная материя» будет действовать как своего рода космический «клей», позволяя черным дырам слиться.
Но в данном случае главный вопрос заключается в том, как это возможно. Когда две галактики сталкиваются, их центральные черные дыры вращаются вокруг друг друга по внутренней орбите благодаря гравитационному взаимодействию с близлежащими звездами. Затем они проходят через «пик» концентрированной (очень плотной) темной материи. Если эта темная материя не взаимодействует, то пик нарушается движением черных дыр. С другой стороны, частицы темной материи могут поддерживать и стабилизировать структуру пика, если они «отскакивают» друг от друга.
«Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, — это сформулированная нами гипотеза, дополнительный ингредиент, который есть не во всех моделях темной материи«, — говорит Алонсо-Альварес. Он утверждает, что их аргумент заключается в том, что «только модели, содержащие этот ингредиент, могут решить последнюю проблему Парсека«.
Это решение потенциально может решить космическую загадку, обнаруженную в 2023 году с помощью Pulsar Timing Array, а также финальную проблему парсека. По словам исследователей, даже если форма сигнала гравитационной волны не совсем соответствует тому, что мы ожидаем от стандартных моделей, их модель самовзаимодействующей темной материи может создать спектр гравитационных волн, который лучше подходит для этих наблюдений.
Джеймс Клайн, соавтор исследования из Университета Макгилла и ЦЕРН, объясняет: «Одно из предсказаний нашего предложения заключается в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых сетями синхронизации пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах. Текущие данные уже позволяют предположить такое поведение, а новые данные могут подтвердить его в ближайшие несколько лет».
Исследование Алонсо-Альвареса и его коллег подчеркивает потенциал гравитационных волн в исследовании природы темной материи. Однако для подтверждения этой возможности необходимы дальнейшие работы. «Наша работа — это новый способ помочь нам понять частичную природу темной материи«, — говорит Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это значит, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы«, — заключил он.