Темная материя могла помочь образованию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной

Сверхмассивные черные дыры, наблюдаемые телескопом Уэбба в самом начале времени, могли образоваться из газовых облаков, слишком быстрое охлаждение которых предотвращала темная материя.

Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), передают OstanniPodii.com.

Сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь, формируются очень долго.

Обычно для рождения черной дыры нужна гигантская звезда массой не менее 50 наших солнц. Такая звезда выгорает -- процесс, который может длиться миллиард лет, -- и её ядро коллапсирует, то есть сжимается само в себя.

Однако, имея лишь около 10 масс Солнца, новообразованная черная дыра далека от черной дыры Стрелец А* в центре нашего Млечного Пути, массой 4 миллиона масс Солнца, или от сверхмассивных черных дыр массой миллиарды солнечных масс, найденных в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из меньших черных дыр путем аккреции газа и звезд, а также путем слияния с другими черными дырами, что занимает миллиарды лет.

Почему же тогда космический телескоп Джеймса Уэбба обнаруживает сверхмассивные черные дыры в самом начале времени, за эоны до того, как они должны были бы сформироваться?

Астрофизики UCLA имеют ответ, такой же загадочный, как и сами черные дыры: темная материя удерживала водород от охлаждения достаточно долго, чтобы гравитация смогла сконденсировать его в облака, достаточно большие и плотные, чтобы превратиться в черные дыры вместо звезд.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters (препринт).

"Как неожиданно было найти сверхмассивную черную дыру с миллиардной солнечной массой, когда самой Вселенной всего полмиллиарда лет", - говорит старший автор работы Александр Кусенко, профессор физики и астрономии в UCLA "Это все равно, что найти современный автомобиль среди костей динозавра и задаться вопросом, кто построил этот автомобиль в доисторические времена".

Некоторые астрофизики предполагают, что большое облако газа может коллапсировать и образовать сверхмассивную черную дыру напрямую, минуя долгую историю горения звезды, аккреции и слияния. Но здесь есть загвоздка: гравитация действительно стягивает большое облако газа, но не в одно большое облако. Вместо этого она собирает части газа в маленькие ореолы, которые плавают рядом, но не образуют черную дыру.

Новости по подобной теме:

Найден дуэт сверхмассивных черных дыр, являющийся ближайшим в многоволновых наблюдениях

Причина в том, что газовое облако охлаждается слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противодействовать гравитации. Однако, если газ охлаждается, давление уменьшается, и гравитация может преобладать во многих маленьких областях, которые коллапсируют в плотные объекты до того, как гравитация успеет затянуть все облако в единую черную дыру.

"Скорость охлаждения газа во многом зависит от количества молекулярного водорода", - говорит первый автор работы, докторант Ифань Лу. "Атомы водорода, которые связаны между собой в молекуле, рассеивают энергию, когда они сталкиваются со свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся охлаждающими агентами, поскольку они поглощают тепловую энергию и излучают её. Водородные облака в ранней Вселенной содержали слишком много молекулярного водорода, поэтому газ быстро охлаждался и образовывал маленькие ореолы вместо больших облаков".

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

"Если добавить излучение в определенном энергетическом диапазоне, оно разрушает молекулярный водород и создает условия, которые предотвращают фрагментацию больших облаков", - говорит Лу.

Но откуда берется излучение?

Лишь очень маленькая часть материи во Вселенной -- это та, из которой состоят наши тела, наша планета, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Подавляющее большинство материи, которую можно обнаружить благодаря её гравитационному воздействию на звездные объекты и искривлению световых лучей от удаленных источников, состоит из каких-то новых частиц, которые ученые еще не идентифицировали.

Таким образом, формы и свойства темной материи остаются загадкой, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, теоретики элементарных частиц уже давно предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, которые могут распадаться на фотоны, частицы света. Включение такой темной материи в симуляции обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке во время коллапса в черную дыру.

Темная материя может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или же она может состоять из нескольких видов частиц: стабильных и распадающихся на ранних стадиях. В любом случае, продуктом распада может быть излучение в виде фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и предотвращают слишком быстрое охлаждение водородных облаков. Даже очень слабый распад темной материи давал достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, формируя большие облака и, в конце концов, сверхмассивные черные дыры.

"Это может быть объяснением того, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются очень рано", - говорит Пикер. "Если вы настроены оптимистично, вы также можете рассматривать это как положительное доказательство существования одного из видов темной материи. Если эти сверхмассивные черные дыры образовались в результате коллапса газового облака, то, возможно, дополнительное излучение должно было бы происходить из неизвестной физики темного сектора".

• Черные дыры
• Темная материя