Темная материя может быть причиной образования огромных черных дыр на заре времен

По мере того как мы получаем все больше возможностей заглянуть все глубже и глубже во Вселенную, мы обнаруживаем нечто очень удивительное - cверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца, которые существовали еще до того, как Вселенная достигла даже 10 процентов от своего нынешнего возраста.

Это довольно сложная космологическая загадка. Учитывая то, что мы знаем о скорости роста черных дыр, с момента Большого взрыва не должно было пройти достаточно времени, чтобы они выросли настолько огромными. Но их присутствие неоспоримо - значит, здесь должно быть что-то странное.

Согласно новым исследованиям, этим чем-то может быть одна из самых странных вещей во Вселенной - темная материя.

«Мы думаем есть две причины [почему первичные черные дыры ранней Вселенной такие массивные], - говорит физик и астроном Хай-Бо Юй из Калифорнийского университета в Риверсайде. — Первичная черная дыра либо намного массивнее, либо она растет намного быстрее, чем мы думали, либо и то, и другое. Возникает вопрос: каковы физические механизмы для создания достаточно массивной первичной черной дыры или достижения достаточно высокой скорости роста?»

Темная материя - одна из величайших загадок Вселенной. Мы не знаем, что это такое и из чего она состоит. Единственный способ ее взаимодействия с обычной барионной материей во Вселенной, из которой состоит все видимое нами вещество, - гравитационный.

Поскольку она взаимодействует гравитационно, мы можем наблюдать гравитационные эффекты во Вселенной, такие как вращение галактик и то, как свет искривляется в сильном гравитационном поле, и вычесть гравитационный эффект обычной материи, чтобы определить содержание темной материи. А ее очень много. По оценкам, 85 процентов всей материи во Вселенной - это темная материя.

Большинство галактик находятся в ореоле темной материи, и считается, что она играет важную роль в их формировании. Одна из моделей образования сверхмассивных черных дыр - прямой коллапс плотного облака газа. Юй и его коллеги задались вопросом, а может ли быть по-другому?

«Этот механизм <…> не может создать достаточно массивную первичную черную дыру, чтобы вместить в себя наблюдаемые сверхмассивные черные дыры, – если только первичная черная дыра не имела чрезвычайно высокую скорость роста, — сказал Юй. — Наша работа дает альтернативное объяснение: самовзаимодействующее гало темной материи испытывает гравитационную нестабильность, и его центральная область коллапсирует в первичную черную дыру».

Насколько мы можем судить, темная материя взаимодействует с барионной материей только гравитационно, но она может взаимодействовать и сама с собой.

Сценарий команды начинается с формирования именно такого ореола из темной материи, гравитационно сближающегося в ранней Вселенной. Внутреннее притяжение гравитации будет конкурировать с внешним притяжением тепла и давления. Для несамовзаимодействующей темной материи частицы, конденсирующиеся к центру гало, будут ускоряться под действием возрастающей гравитации и отталкиваться под действием повышенного давления, поскольку они не смогут передать свою энергию другим частицам.

Однако самовзаимодействующие частицы темной материи могли бы передавать энергию другим частицам, создавая трение в водовороте темной материи. Это заставило бы частицы замедлиться, уменьшая угловой момент и сжимая центральное гало так, что, в конце концов, оно разрушилось бы под действием собственной массы, образовав первичную черную дыру.

С этого момента первичная черная дыра могла бы расти за счет присоединения барионной материи, говорят исследователи. И хотя «семя» темной материи может иметь достаточно большую массу, чтобы позволить черной дыре быстро расти, необходимы обе формы материи.

«Во многих галактиках звезды и газ доминируют в центральных областях, — пояснил Юй. — Таким образом, естественно спросить, как присутствие этой барионной материи влияет на процесс коллапса. Мы показали, что она ускоряет начало коллапса. Эта особенность - именно то, что нам нужно для объяснения происхождения сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Самовзаимодействие также приводит к вязкости, которая может рассеивать угловой момент центрального гало и еще больше способствовать процессу коллапса».

Команда надеется, что будущие инструменты, еще более чувствительные, смогут обнаружить галактики ранней Вселенной с диапазоном яркости за пределами возможностей наших нынешних телескопов.

Это должно помочь подтвердить правильность их модели, что поможет решить не только проблему сверхмассивных черных дыр ранней Вселенной, но и загадочную природу темной материи.