Астрофизики обнаружили связь сверхмассивной чёрной дыры и тёмной материи

Моделирование света, излучаемого сверхмассивной двойной системой черных дыр, где окружающий газ оптически тонкий (прозрачный). Если смотреть под углом 0 градусов или прямо над плоскостью диска. Излучаемый свет представляет собой все длины волн. Автор: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulation data, d'Ascoli et al. 2018

Исследователи обнаружили связь между некоторыми из самых больших и самых маленьких объектов в космосе: сверхмассивными черными дырами и частицами темной материи.

Их новые расчеты показывают, что пары сверхмассивных черных дыр (СМЧД) могут сливаться в одну большую черную дыру из-за ранее упускаемого из виду поведения частиц темной материи, предлагая решение давней «проблемы окончательного парсека» в астрономии.

Исследование описано в статье «Самовзаимодействующая темная материя решает последнюю проблему парсека слияний сверхмассивных черных дыр», опубликованной в этом месяце в журнале Physical Review Letters.

В 2023 году астрофизики объявили об обнаружении «гула» гравитационных волн, пронизывающих Вселенную. Они предположили, что этот фоновый сигнал исходит от миллионов сливающихся пар СМЧД, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.

Однако теоретическое моделирование показало, что по мере того, как пары этих гигантских небесных объектов сближаются по спирали, их сближение останавливается, когда они находятся на расстоянии примерно парсека (расстояние около трех световых лет), тем самым предотвращая слияние.

Эта «последняя проблема парсека» не только противоречила теории о том, что слияние СМЧД было источником фона гравитационных волн, но и противоречила теории о том, что СМЧД возникают в результате слияния менее массивных черных дыр.

«Мы показываем, что включение ранее упускаемого из виду эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слияния», — говорит соавтор статьи Гонсало Алонсо-Альварес, научный сотрудник кафедры физики Университета Торонто. и факультет физики и Космического института Тротье в Университете Макгилла. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее».

Соавторами статьи являются профессор Джеймс Клайн из Университета Макгилла и Департамента теоретической физики ЦЕРН в Швейцарии, а также Кейтлин Дьюар, студентка магистратуры по физике в Макгилле.

Считается, что СМЧД лежат в центрах большинства галактик, и когда две галактики сталкиваются, СМЧД падают на орбиту друг вокруг друга. Когда они вращаются друг вокруг друга, гравитационное притяжение соседних звезд притягивает их и замедляет. В результате малые и средние черные дыры приближаются к слиянию.

Предыдущие модели слияния показали, что когда СМЧД приближаются примерно на парсек, они начинают взаимодействовать с облаком темной материи или гало, в котором они заключены. Они указали, что гравитация спиралевидных СМЧД выбрасывает частицы темной материи за пределы системы, и возникающая в результате разреженность темной материи означает, что энергия не извлекается из пары, и их взаимные орбиты больше не сжимаются.

Хотя эти модели игнорировали влияние темной материи на орбиты СМЧД, новая модель Алонсо-Альвареса и его коллег показывает, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом таким образом, что они не рассеиваются. Плотность гало темной материи остается достаточно высокой, поэтому взаимодействия между частицами и СМЧД продолжают ухудшать орбиты СМЧД, открывая путь к слиянию.

«Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, — это наше предположение, дополнительный ингредиент, который присутствует не во всех моделях темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Наш аргумент заключается в том, что только модели с этим ингредиентом могут решить окончательную проблему парсека».

Фоновый гул был обнаружен в последние годы учеными, работающими с системой синхронизации пульсаров. Массив обнаруживает гравитационные волны, измеряя мельчайшие изменения сигналов от пульсаров, быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих сильные радиоимпульсы.

«Наше предложение предполагает, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых с помощью хронометрических решеток пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах», — говорит Клайн. «Текущие данные уже намекают на такое поведение, и новые данные, возможно, смогут подтвердить это в ближайшие несколько лет».

Помимо предоставления информации о слиянии SBMH и фоновом сигнале гравитационных волн, новый результат также дает представление о природе темной материи.

«Наша работа — это новый способ помочь нам понять корпускулярную природу темной материи», — говорит Алонсо-Альварес. «Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы».

Например, исследователи обнаружили, что взаимодействия между смоделированными ими частицами темной материи также объясняют формы галактических гало темной материи.

«Мы обнаружили, что окончательная проблема парсека может быть решена только в том случае, если частицы темной материи взаимодействуют со скоростью, которая может изменить распределение темной материи в галактических масштабах», — говорит Алонсо-Альварес. «Это было неожиданно, поскольку физические масштабы, в которых происходят процессы, различаются на три или более порядков. Это интересно».

Больше информации: Gonzalo Alonso-Álvarez et al, Self-Interacting Dark Matter Solves the Final Parsec Problem of Supermassive Black Hole Mergers, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021401

Источник: University of Toronto