Согласно предложенному астрофизиками новому механизму, сверхмассивные черные дыры могли образовываться в ранней Вселенной. В этом процессе значительную роль сыграла ультралегкая темная материя, которая создавала ультрафиолетовое излучение, необходимое для сжатия газовых облаков.
Считается, что сверхмассивные черные дыры, обладающие массой, сопоставимой с миллиардами солнечных, возникли уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Механизм их появления до сих пор неясен: традиционные модели, предполагающие формирование путем гравитационного коллапса звезд или слияния массивных объектов, не соответствуют временным рамкам ранней Вселенной.
Существует предположение, что гигантские облака атомарного газа могли схлопываться напрямую, минуя стадию образования звезд. Для реализации этого процесса требовалось мощное ультрафиолетовое излучение, способное подавлять охлаждение газа посредством молекулярного водорода и препятствовать его фрагментации. Источник подобного излучения в эпоху «темных веков» Вселенной, предшествующую появлению первых звезд, до недавнего времени оставался неясным.
Группа астрофизиков из Корнеллского университета выдвинула гипотезу, как ультралегкая темная материя могла стать источником ультрафиолетовых фотонов, необходимых для прямого коллапса. Препринт исследования опубликован на сайте arXiv.org. Ученые основывались на предположении, что темная материя состоит из аксионов — гипотетических частиц, обладающих чрезвычайно малой массой, не превышающей 10 в −20 степени электронвольт. Они взаимодействуют с электромагнитным полем посредством топологического взаимодействия, которое называется инвариант Черна — Саймонса.
В областях с высокой концентрацией темной материи колебания аксионного поля вызывают параметрический резонанс инфракрасных фотонов. Аксионное поле передает энергию фотонам, что приводит к их последовательному переходу в ультрафиолетовую область спектра. Согласно результатам расчетов, при соблюдении определенных условий, такой механизм способен генерировать достаточное количество ультрафиолетового излучения для подавления образования молекулярного водорода в газовых облаках.
Сила взаимодействия аксионов с фотонами стала определяющим фактором. Для достижения необходимого резонанса, этот параметр должен быть больше 10 в минус 10 степени гигаэлектронвольт в минус 1. Результаты моделирования показали, что даже при столь незначительных значениях взаимодействия за 100 000 лет в гало массой миллион солнечных масс накапливается достаточный объем энергии для начала коллапса.
Ученые установили, что параметрический резонанс в аксионных гало приводит к образованию ультрафиолетовых фотонов с энергией от 0,76 до 13,6 электронвольт. Этот диапазон энергий имеет решающее значение для разрушения молекулярного водорода. Чтобы газовое облако могло схлопнуться, концентрация темной материи в гало должна была быть в 200 раз больше, чем средняя плотность вещества во Вселенной, а доля энергии, преобразованной в излучение, составляла не менее одного процента.
Благодаря этим условиям можно было бы снизить температуру газа и избежать его разрушения на фрагменты. Описанный механизм соответствует общепринятой космологической модели и расширяет представления о сценариях, связанных с космическими струнами – гипотетическими дефектами пространства-времени. Согласно проведенным расчетам, струны способны ускорять образование плотных гало, повышая интенсивность резонансного эффекта.
Новое исследование предлагает возможное объяснение одной из ключевых неразгаданных тайн ранней Вселенной – формирования сверхмассивных черных дыр. В случае подтверждения этой гипотезы, она не только прояснит происхождение этих объектов, но и станет непрямым свидетельством существования ультралегкой темной материи.
Несмотря на это, важно отметить, что в научном мире до настоящего времени отсутствует единое мнение относительно природы темной материи. Некоторые ученые выражают сомнения в ее частицеподобной структуре и предлагают альтернативные гипотезы, основанные на изменениях в понимании законов гравитации.
Ввиду этого, результаты недавней научной работы, разработанные на основе аксионной модели, нуждаются в дополнительной проверке и на данный момент являются предположительными. Будущие исследования будут сосредоточены на поиске признаков аксионного излучения в данных, получаемых радиотелескопами, и на моделировании процессов каскадного преобразования фотонов в различных типах гало.