По мнению астрофизиков, сверхмассивные черные дыры формируются в результате слияния менее крупных черных дыр, что становится возможным благодаря взаимодействию темной материи.
Новое исследование предлагает объяснение многолетней загадки формирования самых массивных объектов во Вселенной — сверхмассивных черных дыр. В 2023 году астрофизики зафиксировали фоновый шум, представляющий собой наногерцевые гравитационные волны, распространяющиеся со всех сторон и заполняющие космос. Ученые считают, что этот сигнал генерируется миллионами пар черных дыр, сливающихся друг с другом, и каждая из них обладает массой в миллиарды раз превышающую массу Солнца.
Теоретические модели демонстрируют, что при закручивании в спираль эти массивные космические объекты замедляют свое движение и останавливаются на расстоянии примерно в одну парсек. Эта дистанция, составляющая чуть более трех световых лет, создает препятствие для их слияния. Данное явление получило название «проблема последнего парсека».
Существует несовместимость не только с теорией, утверждающей, что слияние черных дыр порождает гравитационные волны, но и с теорией, описывающей рост сверхмассивных черных дыр посредством объединения с менее массивными черными дырами.
По современным представлениям, черные дыры, приближаясь друг к другу, замедляются, отдавая импульс в виде гравитационных волн. Однако эти потери энергии оказываются недостаточными для того, чтобы обеспечить достаточное сближение черных дыр, необходимое для их слияния. Данная особенность известна как проблема последнего парсека (3,26 световых лет).
Темная материя представляет собой невидимую составляющую Вселенной, которая составляет приблизительно 95 процентов всей материи. Несмотря на то, что мы не можем наблюдать ее непосредственно, ее гравитационное воздействие на видимую материю является доказанным фактом.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, новое исследование предложило решение этой загадки. Ранее считалось, что частицы темной материи взаимодействуют только посредством гравитации. Исследователи продемонстрировали, что допустимость негравитационных взаимодействий между частицами темной материи может способствовать слиянию сверхмассивных черных дыр, разделенных последним парсеком.
В рамках данной модели, внутреннее взаимодействие частиц темной материи препятствует их рассеиванию из области, окружающей слияние черных дыр. Поэтому, так называемое динамическое трение (взаимодействие гравитационного характера между частицами темной материи и сверхмассивными черными дырами, по всей видимости, более продолжительное и продуктивное, чем предполагалось ранее. Согласно предыдущим представлениям, частицы темной материи, оказывающие незначительное замедление черной дыры, впоследствии быстро покидали ее окрестности, получая дополнительный импульс. Однако, согласно новой модели, этот эффект не реализуется. Благодаря этому, гравитационное взаимодействие между черными дырами и темной материей продолжает действовать, снижая импульс черной дыры и позволяя парам черных дыр сближаться до момента слияния. Данное открытие также объясняет природу фона наногерцевых гравитационных волн.
Астрофизики также прогнозируют, что спектр гравитационных волн, регистрируемый посредством пульсарных временных наблюдений, будет ослаблен в области низких частот. Это соответствует имеющимся данным, и будущие наблюдения, вероятно, подтвердят это в ближайшие годы.
Помимо решения задачи, связанной с последним парсеком, данный метод становится полезным инструментом для исследования характеристик темной материи. Движение сверхмассивных черных дыр тесно связано со свойствами темной материи, поэтому наблюдения за их слиянием позволят глубже понять природу этих таинственных частиц.
Ученые выяснили, что взаимодействие частиц темной материи, смоделированное ими, способно объяснить структуру галактического гало – сферической области, окружающей каждую галактику и состоящей преимущественно из темной материи).
Новая модель не просто решает проблему последнего парсека и объясняет происхождение сверхмассивных черных дыр, но и помогает понять природу темной материи – самого неизученного явления в современной Вселенной. Однако, новый подход сталкивается с трудностями: если частицы темной материи взаимодействуют, то это должно было бы отразиться на множестве вопросов. К сожалению, астрофизикам пока не удалось обнаружить явных признаков такого взаимодействия.
Как уже писал Naked Science представляет альтернативную точку зрения на наногерцовые гравитационные волны. В 2021 году физик Николай Горькавый предсказал, что Вселенную должна пронизывать реликтовые наногерцовые гравитационные волны. По его мнению, они возникли не в результате слияния обычных черных дыр, а вследствие объединения огромных масс черных дыр в момент коллапса прошлой Вселенной.