Темна матерія могла допомогти утворенню надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті

Надмасивні чорні діри, спостережувані телескопом Вебба на самому початку часу, могли утворитися з газових хмар, надто швидкому охолодженню яких запобігала темна матерія.

Про це розповідають в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі (UCLA), передають OstanniPodii.com.

Надмасивні чорні діри, подібні до тієї, що знаходиться в центрі нашої галактики Чумацький Шлях, формуються дуже довго.

Зазвичай для народження чорної діри потрібна гігантська зоря масою щонайменше 50 наших сонць. Така зоря вигорає -- процес, який може тривати мільярд років, -- та її ядро колапсує, тобто стискається саме в собі.

Проте, маючи лише близько 10 мас Сонця, новоутворена чорна діра далека від чорної діри Стрілець А* в центрі нашого Чумацького Шляху, масою 4 мільйони мас Сонця, або від надмасивних чорних дір масою мільярди сонячних мас, знайдених в інших галактиках. Такі гігантські чорні діри можуть утворюватися з менших чорних дір шляхом акреції газу й зірок, а також шляхом злиття з іншими чорними дірами, що займає мільярди років.

Чому ж тоді космічний телескоп Джеймса Вебба виявляє надмасивні чорні діри на самому початку часу, за еони до того, як вони мали б сформуватися?

Астрофізики UCLA мають відповідь, таку ж загадкову, як і самі чорні діри: темна матерія утримувала водень від охолодження досить довго, щоб гравітація змогла сконденсувати його в хмари, достатньо великі та щільні, щоб перетворитися на чорні діри замість зірок.

Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters (препринт)..

"Як несподівано було знайти надмасивну чорну діру з мільярдною сонячною масою, коли самому Всесвіту лише пів мільярда років", - каже старший автор роботи Олександр Кусенко, професор фізики та астрономії в UCLA "Це все одно, що знайти сучасний автомобіль серед кісток динозавра й задатися питанням, хто побудував цей автомобіль в доісторичні часи".

Деякі астрофізики припускають, що велика хмара газу може колапсувати й утворити надмасивну чорну діру безпосередньо, оминаючи довгу історію горіння зорі, акреції та злиття. Але тут є заковика: гравітація дійсно стягує велику хмару газу, але не в одну велику хмару. Замість цього вона збирає частини газу в маленькі ореоли, які плавають поруч, але не утворюють чорну діру.

Причина в тому, що газова хмара охолоджується надто швидко. Поки газ гарячий, його тиск може протидіяти гравітації. Однак, якщо газ охолоджується, тиск зменшується, і гравітація може переважати в багатьох маленьких областях, які колапсують у щільні об′єкти до того, як гравітація встигне затягнути всю хмару в єдину чорну діру.

"Швидкість охолодження газу багато в чому залежить від кількості молекулярного водню", - каже перший автор роботи, докторант Іфань Лу. "Атоми водню, які пов′язані між собою в молекулі, розсіюють енергію, коли вони стикаються з вільним атомом водню. Молекули водню стають охолоджувальними агентами, оскільки вони поглинають теплову енергію та випромінюють її. Водневі хмари в ранньому Всесвіті містили занадто багато молекулярного водню, тому газ швидко охолоджувався та утворював маленькі ореоли замість великих хмар".

Лу та постдокторський дослідник Закарі Пікер написали код для розрахунку всіх можливих процесів цього сценарію та виявили, що додаткове випромінювання може нагрівати газ і дисоціювати молекули водню, змінюючи швидкість охолодження газу.

"Якщо додати випромінювання в певному енергетичному діапазоні, воно руйнує молекулярний водень і створює умови, які запобігають фрагментації великих хмар", - каже Лу.

Але звідки береться випромінювання?

Лише дуже маленька частина матерії у Всесвіті -- це та, з якої складаються наші тіла, наша планета, зорі та все інше, що ми можемо спостерігати. Переважна більшість матерії, яку можна виявити завдяки її гравітаційному впливу на зоряні об′єкти та викривленню світлових променів від віддалених джерел, складається з якихось нових частинок, які вчені ще не ідентифікували.

Таким чином, форми та властивості темної матерії залишаються загадкою, яку ще належить розгадати. Хоча ми не знаємо, що таке темна матерія, теоретики елементарних частинок вже давно припускають, що вона може містити нестабільні частинки, які можуть розпадатися на фотони, частинки світла. Включення такої темної матерії в симуляції забезпечило випромінювання, необхідне для того, щоб газ залишався у великій хмарі під час колапсу в чорну діру.

Темна матерія може складатися з частинок, які повільно розпадаються, або ж вона може складатися з декількох видів частинок: стабільних і таких, що розпадаються на ранніх стадіях. У будь-якому випадку, продуктом розпаду може бути випромінювання у вигляді фотонів, які розщеплюють молекулярний водень і запобігають надто швидкому охолодженню водневих хмар. Навіть дуже слабкий розпад темної матерії давав достатньо випромінювання, щоб запобігти охолодженню, формуючи великі хмари і, зрештою, надмасивні чорні діри.

"Це може бути поясненням того, чому надмасивні чорні діри виявляються дуже рано", - каже Пікер. "Якщо ви налаштовані оптимістично, ви також можете розглядати це як позитивний доказ існування одного з видів темної матерії. Якщо ці надмасивні чорні діри утворилися внаслідок колапсу газової хмари, то, можливо, додаткове випромінювання повинно було б походити з невідомої фізики темного сектора".