Як зароджується надмасивна чорна діра — запропоновано пояснення

Дослідження пропонує пояснення, що первісні чорні діри могли утворитися у результату колапсу ореолу темної матерії та перерости у SMBH за достатньо короткий час.

Надмасивні чорні діри (SMBH) — це чорні діри з масами, що у кілька мільйонів-мільярдів разів перевищують масу нашого Сонця. У Чумацькому Шляху розміщується SMBH, маса якої у кілька мільйонів разів перевищує масу Сонця. Як не дивно, але астрофізичні спостереження показують, що SMBH вже існували, коли Всесвіт був дуже молодим. Наприклад, мільярд чорних дір сонячної маси виявлено, коли Всесвіту було лише 6% від його нинішнього віку, 13,7 мільярда років. Як виникають ці SMBH у ранньому Всесвіті?

Команда під керівництвом фізика-теоретика з Каліфорнійського університету в Ріверсайді запропонувала пояснення: масивна насіннєва чорна діра, яку може утворити колапс ореолу темної матерії.

Ореол (гало) темної матерії — це ореол невидимої матерії, що оточує галактику або скупчення галактик. Хоча темна матерія ніколи не була виявлена в лабораторіях, фізики залишаються впевненими, що ця загадкова матерія, що становить 85% матерії Всесвіту, існує. Якби видима матерія галактики не була вбудована в ореол темної матерії, вона б розлетілася на частини.

"Фізики спантеличені, чому SMBH у ранньому Всесвіті, які розташовані в центральних областях ореолів темної матерії, за цей короткий час зростають так сильно", - сказав Хай-Бо Ю, доцент кафедри фізики та астрономії у вказаному виші, який керував дослідженням, опублікованому в Astrophysical Journal Letters. "Це як 5-річна дитина, яка важить, скажімо, 90 кілограмів. Така дитина здивувала б нас усіх, бо ми знаємо типову вагу новонародженої дитини і те, як швидко ця дитина може рости. Коли справа йде щодо чорних дір, фізики мають загальні очікування щодо маси насіннєвої чорної діри та швидкості її зростання. Наявність SMBH свідчить про те, що ці загальні очікування були порушені, що вимагає нових знань. І це захоплює".

Насіннєва чорна діра — це чорна діра на початковій стадії — схожій на стадію дитини в житті людини.

"Ми можемо думати про дві причини", - додав Ю. "Насіннєва — або "дитяча" – чорна діра або набагато масивніша, або вона росте набагато швидше, ніж ми думали, або і те, і інше. Постає питання, які фізичні механізми для утворення досить масивної насіннєвої чорної діри або для досягнення досить швидкого темпу зростання?"

"Потрібен час, щоб чорні діри зросли масивними внаслідок акреції навколишньої матерії", - говорить співавтор І-Мін Чжун, дослідник-постдокторант з Інституту космологічної фізики ім. Кавлі при Чиказькому університеті. "Наша робота показує, що якщо темна матерія має взаємодії, тоді гравітермічний колапс ореолу може призвести до утворення досить масивної насіннєвої чорної діри. Швидкість її зростання буде більше відповідати загальним очікуванням".

В астрофізиці популярним механізмом, що використовується для пояснення SMBH, є колапс первозданного газу в протогалактиках у ранньому Всесвіті.

"Однак цей механізм не може створити достатньо масивну насіннєву чорну діру для улаштовування нещодавно спостережуваних SMBH — якщо тільки насіннєва чорна діра не мала надзвичайно швидкого темпу зростання", - сказав Ю. "Наша робота надає альтернативне пояснення: ореол темної матерії, що взаємодіє сам із собою, зазнає гравітермічну нестабільність і його центральна область колапсує в чорну діру".

Пояснення, запропоноване Ю та його колегами, працює наступним чином:

Новини за подібною темою:

		У ранньому Всесвіті знайдено чорну діру, що поглинає матерію набагато швидше, ніж теоретично можливо
		Чорна діра знищує зорю та вже взялася за іншу
		Коливання Марса може бути ознакою темної матерії, говориться в дослідженні

Частинки темної матерії спочатку скупчуються під впливом гравітації та утворюють ореол темної матерії. Під час еволюції ореолу діють дві суперницькі сили — гравітація та тиск. Поки гравітація тягне частинки темної матерії всередину, тиск штовхає їх назовні. Якщо частинки темної матерії не мають самовзаємодії, то у міру того, як гравітація тягне їх до центрального ореолу, вони стають гарячішими, тобто рухаються швидше, тиск ефективно зростає і вони відскакують назад. Однак у випадку темної матерії, що взаємодіє сама із собою, самовзаємодія темної матерії може переносити тепло від цих «більш гарячих» частинок до найближчих більш холодних. Це ускладнює відскакування частинок темної матерії назад.

Ю пояснив, що центральний ореол, який колапсує у чорну діру, має кутовий момент, тобто він обертається. Самовзаємодія може спричинити в'язкість або "тертя", що розсіює кутовий момент. У процесі колапсу центральний ореол, що має фіксовану масу, зменшується в радіусі й сповільнюється при обертанні через в'язкість. У міру продовження еволюції, центральний ореол врешті решт колапсує в особливий стан: насіннєву чорну діру. Це насіння може стати більш масивним шляхом акреції баріонної — або видимої — матерії, такої, як газ та зірки, що знаходяться навколо.

"Перевага нашого сценарію полягає в тому, що маса насіннєвої чорної діри може бути великою, оскільки вона утворюється в результаті колапсу ореолу темної матерії", - сказав Ю "Таким чином, вона може перерости у надмасивну чорну діру за відносно короткий проміжок часу".

Нова робота є новаторською в тому, що дослідники вказують на важливість баріонів — звичайних атомних і молекулярних частинок — для того, щоб ця ідея працювала.

"По-перше, ми показуємо, що наявність баріонів, таких як газ і зірки, може суттєво пришвидшити початок гравітермічного колапсу ореолу, і насіннєва чорна діра може бути створена досить рано", - сказав Вей-Сян Фен, аспірант Ю та співавтор роботи. "По-друге, ми показуємо, що самовзаємодія може спричинити в’язкість, яка розсіює залишок кутового моменту центрального гало. По-третє, ми розробили метод для дослідження умов запуску загальної релятивістської нестабільності колапсованого ореолу, який гарантує утворення насіннєвої чорної діри, якщо умова буде виконана".

Протягом останнього десятиліття Ю досліджував нові передбачення щодо самовзаємодій темної матерії та їх наслідки для спостережень. Його робота показала, що темна матерія, що самовзаємодіє, може надати гарне пояснення спостережуваному руху зірок і газу в галактиках.

"У багатьох галактиках зорі та газ домінують у центральних регіонах", - сказав він. "Таким чином, природно запитати, як присутність цієї баріонної матерії впливає на процес колапсу. Ми показали, що вона прискорює початок колапсу. Ця особливість — саме те, що нам потрібно, щоб пояснити походження надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті. Самовзаємодія також призводить до в'язкості, яка може розсіювати кутовий момент центрального ореолу та ще більше сприяти процесу колапсу".

Дослідження фінансувалось Міністерством енергетики США, NASA, Інститутом космологічної фізики Кавлі та Фондом Джона Темплтона.

Дослідницька робота має назву «Посів надмасивних чорних дір із темної матерії, що самовзаємодіє: уніфікований сценарій з баріонами» (Seeding Supermassive Black Holes with Self-interacting Dark Matter: A Unified Scenario with Baryons).

Джерело: пресреліз на сайті Каліфорнійського університету в Ріверсайді.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Чорні діри
• Темна матерія