Темная материя раскрывает тайну существования сверхмассивных черных дыр

Темная материя может предоставить сверхмассивным черным дырам тормоза, необходимые для того, чтобы они столкнулись вместе в конце долгого, спирального пути к своей судьбе.

Согласно новому математическому моделированию, загадка, известная как Последняя проблема парсека может быть решена за счет присутствия частиц самодействующей темной материи, которые остаются сгруппированными вокруг черных дыр, позволяя им преодолевать окончательное расстояние между ними.

Это открытие предполагает, что загадочная материя, которая придает Вселенной дополнительную гравитацию, должна, следовательно, иметь возможность взаимодействовать сама с собой, поскольку проблема не может быть решена с помощью невзаимодействующих моделей темной материи.

«Мы показываем, что включая ранее упущенный из виду эффект Темная материя может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слияния», — говорит физик Гонсало Алонсо-Альварес из Университета Торонто и Университета Макгилла. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее».

Обнаруженные в сердцах галактик сверхмассивные черные дыры представляют собой огромную загадку для астрономов. Мы знаем, что черные дыры более миниатюрных размеров образуются из коллапсирующих ядер массивных звезд, у которых закончилось термоядерное топливо и которые выкинули космическое ведро. Эти меньшие массы могут сливаться в более крупные; Самое массивное слияние черных дыр, обнаруженное на сегодняшний день, привело к образованию объекта с массой, эквивалентной 142 Солнцам.

Сверхмассивные черные дыры в миллионы или миллиарды раз превышают массу Солнца. Разумно предположить, что они могут стать такими большими, слившись с другими черными дырами размером с монстра. На протяжении всей истории Вселенной мы даже замечали сверхмассивные черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга после слияния их галактик, по-видимому, на пути к возможному столкновению.

Однако неясно, как эти сверхмассивные черные дыры сталкиваются. Согласно моделям, когда сверхмассивные черные дыры вращаются друг вокруг друга, они передают свою орбитальную энергию звездам и газу вокруг них, в результате чего их орбита становится все меньше и меньше. По мере того, как расстояние между ними сокращается, количество веществ, которые могут украсть их импульс, тоже сокращается.

К тому времени, когда они будут находиться на расстоянии примерно одного парсека друг от друга (3,2 световых года или около того), их галактическое окружение больше не сможет поддерживать дальнейшее существование. орбитальный распад, поэтому орбита черных дыр стабилизируется на очень длительный период времени. Сколько? Ну, по крайней мере, дольше, чем существует Вселенная.

Один из способов определить, действительно ли сверхмассивные черные дыры сливались в прошлом, включает в себя гравитационные волны; огромная рябь в ткани пространства-времени, вызванная большими массами, когда они меняют скорость. Если сверхмассивные черные дыры сталкиваются по всей Вселенной, должно быть характерное фоновое «гул» очень низкочастотных гравитационных волн, постоянно пульсирующих по Вселенной.

Мы, наконец, обнаружили фоновый гул гравитационных волн. . Это говорит о том, что мы упускаем важную часть истории столкновения сверхмассивных черных дыр.

Это последняя проблема парсека.

Возможно, нам не хватает темной материи. Тем не менее, согласно предыдущим моделям слияния сверхмассивных черных дыр, их гравитационное взаимодействие должно также выбрасывать частицы темной материи из системы, которые в противном случае могли бы поглотить этот последний бит орбитальной энергии.

Теперь проблема с темной материей заключается в следующем. что мы не знаем, что это такое. Он не взаимодействует с обычной материей Вселенной за пределами гравитационного притяжения, что чрезвычайно затрудняет его исследование. На самом деле мы называем ее темной материей как термин-заполнитель, и ученые пытаются выяснить ее свойства, изучая поведение Вселенной другими способами.

Алонсо-Альварес и его коллеги задавались вопросом, не являемся ли мы слишком поспешно отвергли темную материю как решение, поэтому они разработали математические модели для ее проверки. И они обнаружили, что темная материя, которая взаимодействует сама с собой, может оставаться вблизи сливающихся сверхмассивных черных дыр, давая черным дырам возможность передать свою последнюю орбитальную энергию, чтобы они могли наконец объединиться, образуя одну очень большую сверхмассивную черную дыру. p>

На данный момент результаты носят довольно теоретический характер, но они дают прогнозы, которые можно наблюдать. Например, результаты предсказывают смягчение фонового гула гравитационных волн, намеки на который уже наблюдались. Результаты также можно использовать для понимания ореолов темной материи, окружающих галактики по всей Вселенной, поскольку частицы должны взаимодействовать в галактическом масштабе, чтобы иметь возможность решить окончательную проблему парсека.

Наконец, исследователи говорят, что их результаты представляют собой новый инструмент для разгадки загадок темной материи.

«Наша работа — это новый способ помочь нам понять корпускулярную природу темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы».

Результат опубликован в Письмах с физическими отзывами.