Темная материя могла помочь создать сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной

Для образования сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь, требуется много времени. Обычно для рождения черной дыры требуется, чтобы гигантская звезда с массой не менее 50 наших солнц сгорела — этот процесс может занять миллиард лет — и ее ядро разрушилось само по себе.

Однако даже при массе всего около 10 солнечных масс образовавшаяся черная дыра далека от черной дыры Стрельца А* массой 4 миллиона солнечных масс, обнаруженной в нашей галактике Млечный Путь, или сверхмассивных черных дыр массой в миллиард солнечных масс, обнаруженных в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из меньших черных дыр путем аккреции газа и звезд, а также в результате слияния с другими черными дырами, которое занимает миллиарды лет.

Почему же тогда космический телескоп Джеймса Уэбба обнаруживает сверхмассивные черные дыры в самом начале времени, за много веков до того, как они должны были образоваться? У астрофизиков Калифорнийского университета есть ответ, столь же загадочный, как и сами черные дыры: Темная материя не давала водороду остыть достаточно долго, чтобы гравитация сконденсировала его в облака, достаточно большие и плотные, чтобы превратиться в черные дыры вместо звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Как удивительно было найти сверхмассивную черную дыру с массой в миллиард солнечных масс, когда самой Вселенной всего полмиллиарда лет», — говорит старший автор статьи Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета. «Это все равно что найти современный автомобиль среди костей динозавров и задаться вопросом, кто построил эту машину в доисторические времена».

Некоторые астрофизики предполагают, что большое облако газа может сколлапсировать и образовать сверхмассивную черную дыру напрямую, минуя долгую историю сжигания звезд, аккреции и слияния. Но есть одна загвоздка: Гравитация действительно стягивает большое облако газа вместе, но не в одно большое облако. Вместо этого она собирает части газа в маленькие ореолы, которые плавают друг возле друга, но не образуют черную дыру.

Причина в том, что газовое облако слишком быстро остывает. Пока газ горячий, его давление может противостоять гравитации. Однако если газ остывает, давление уменьшается, и гравитация может возобладать во многих небольших областях, которые распадаются на плотные объекты, прежде чем у гравитации появится шанс втянуть все облако в единую черную дыру.

«Скорость охлаждения газа во многом зависит от количества молекулярного водорода», — говорит первый автор работы и докторант Ифань Лу (Yifan Lu). «Атомы водорода, связанные между собой в молекуле, рассеивают энергию, когда сталкиваются со свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся агентами охлаждения, поскольку поглощают тепловую энергию и излучают ее. В водородных облаках ранней Вселенной было слишком много молекулярного водорода, и газ быстро остывал, образуя вместо больших облаков небольшие ореолы».

Лу и постдокторант Закари Пикер написали код для расчета всех возможных процессов этого сценария и обнаружили, что дополнительное излучение может нагревать газ и диссоциировать молекулы водорода, изменяя способ охлаждения газа.

«Если добавить излучение в определенном диапазоне энергий, оно разрушает молекулярный водород и создает условия, препятствующие фрагментации больших облаков», — говорит Лу.

Но откуда берется радиация?

Лишь очень малая часть материи во Вселенной состоит из тех частиц, из которых состоят наши тела, наша планета, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Подавляющее большинство материи, обнаруживаемое по ее гравитационному воздействию на звездные объекты и по изгибанию лучей света от далеких источников, состоит из каких-то новых частиц, которые ученые пока не идентифицировали.

Поэтому формы и свойства темной материи — это загадка, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, теоретики частиц давно предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, которые могут распадаться на фотоны, частицы света. Включение такой темной материи в симуляцию обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке, пока оно коллапсирует в черную дыру.

Темная материя может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или из нескольких видов частиц: стабильных и распадающихся в ранние моменты времени. В любом случае продуктом распада может быть излучение в виде фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и не дают водородным облакам остыть слишком быстро. Даже очень слабый распад темной материи дает достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, формируя большие облака и, в конечном счете, сверхмассивные черные дыры.

«Это может стать разгадкой того, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются очень рано», — говорит Пикер. «Если быть оптимистом, то это можно рассматривать и как положительное свидетельство в пользу одного из видов темной материи. Если эти сверхмассивные черные дыры образовались в результате коллапса газового облака, возможно, необходимое дополнительное излучение должно исходить от неизвестной физики темного сектора».

Согласно исследованию, темная материя может сыграть решающую роль в формировании суперчастиц и супермассивных черных дыр, но для окончательного понимания этого процесса необходимо провести дополнительные эксперименты и наблюдения. Ученые должны изучить условия, при которых образование черных дыр может происходить независимо от долгих процессов звездообразования и аккреции газа. Это требует разработки новых теоретических моделей и компьютерных симуляций, которые могут более точно воспроизводить ранние этапы эволюции Вселенной.

Кроме того, дальнейшие исследования могут привести к открытию новых типов частиц, состав которых станет ключом к разгадке природы темной материи. Atmospheric загадки о темной материи стимулируют интерес исследователей, и любые новые находки могут значительно изменить наше понимание формирования структуры Вселенной.

Если эти гипотезы подтвердятся, это может не только объяснить раннее существование сверхмассивных черных дыр, но и прояснить процессы, происходившие в ранней Вселенной. Таким образом, параллели между теорией и наблюдаемыми явлениями могут привести нас к более глубокому пониманию самой сущности космоса.