Астрофизики выдвинули новую гипотезу о формировании сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Ключевую роль в этом процессе сыграла ультралегкая темная материя, которая порождала ультрафиолетовое излучение, необходимое для коллапса газовых облаков.
Сверхмассивные черные дыры с массой в миллиарды солнечных существовали уже спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Их возникновение остается загадкой: традиционные сценарии формирования через коллапс звезд или слияние объектов нуждаются во времени, которого не хватало ранней Вселенной.
Предполагается, что гигантские облака атомарного газа могли коллапсировать без образования звёзд. Для этого требовалось мощное ультрафиолетовое излучение, которое бы подавляло охлаждение газа молекулярным водородом и препятствовало фрагментации облаков. Источник такого излучения в ранней Вселенной — до появления первых звёзд — оставался неизвестным.
Группа астрофизиков из Корнеллского университета выдвинула Предположили, что ультралегкая темная материя могла стать источником ультрафиолетовых фотонов, необходимых для прямого коллапса. Исследование опубликовано на сайте arXiv.org. аксионов — гипотетических частиц с массой меньше 10^(-20) электронвольт. Частицы взаимодействуют с электромагнитным полем через топологическое взаимодействие, известное как… инвариант Черна — Саймонса.
В темных гало, состоящих из сгустков темной материи, колебания аксионного поля вызывают параметрический резонанс инфракрасных фотонов. Энергия от аксионного поля переходит к фотонам, что приводит к их каскадному переходу в ультрафиолетовый диапазон. Расчеты показали, что при определенных условиях такой процесс генерирует достаточно УФ-излучения для подавления образования молекулярного водорода в газовых облаках.
Главным фактором стало значение силы взаимодействия аксионов с фотонами. Для резонанса его необходимо было бы больше 10^-10 гигаэлектронвольт в степени -1. Моделирование показало, что даже при таких малых значениях связи за 100 000 лет в гало массой миллион солнечных масс накапливается достаточное количество энергии для начала коллапса.
Ученые обнаружили, что параметрический резонанс в аксионных гало создает ультрафиолетовые фотоны с энергией от 0,76 до 13,6 электронвольта — именно этот диапазон энергии необходим для разложения молекулярного водорода. Для эффективного разрушения газового облака концентрация темной материи в гало должна была быть в 200 раз выше фоновой плотности Вселенной, а доля энергии, превращенной в излучение, составляла не менее одного процента.
Эти условия позволят подавить охлаждение газа и предотвратить его фрагментацию. Предложенный механизм соответствует стандартной космологической модели и дополняет сценарии с участием космических струн — гипотетических дефектов пространства-времени. Струны, по расчётам, могут ускорять формирование плотных гало, усиливая эффект резонанса.
Открытие предлагает решение одной из главных загадок ранней Вселенной — происхождения сверхмассивных черных дыр. Подтверждение гипотезы позволит не только объяснить природу этих объектов, но и станет косвенным доказательством существования ультралегкой темной материи.
В научном мире пока не существует единого мнения о сути темной материи. Некоторые ученые отвергают гипотезу о её частицевой природе, предлагая иные интерпретации, основанные на изменении представлений о гравитации.
Выводы новой научной работы, основанные на аксионной модели, нуждаются в дополнительной проверке и пока остаются гипотетическими. Дальнейшие исследования направлены на поиск следов аксионного излучения в данных радиотелескопов и моделирование процессов каскадного перехода фотонов в различных типах гало.