Темная материя могла способствовать образованию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной

Изображение телескопа Джеймса Уэбба показывает квазар J0148, обведенный красным. Две вставки показывают, сверху, центральную черную дыру, а снизу — звездное излучение от родительской галактики. Автор: MIT/NASA

Для образования сверхмассивных черных дыр, таких как та, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь, требуется много времени. Обычно для рождения черной дыры требуется, чтобы гигантская звезда с массой не менее 50 наших солнц выгорела — этот процесс может занять миллиард лет — и ее ядро схлопнулось само в себя.

Тем не менее, при массе всего около 10 солнечных масс, полученная черная дыра очень далека от черной дыры с массой в 4 миллиона солнечных масс, Стрельца А*, обнаруженной в нашей галактике Млечный Путь, или сверхмассивных черных дыр с массой в миллиард солнечных масс, обнаруженных в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из более мелких черных дыр путем аккреции газа и звезд, а также путем слияния с другими черными дырами, что занимает миллиарды лет.

«Как удивительно было обнаружить сверхмассивную черную дыру с массой в миллиард солнечных, когда самой Вселенной всего полмиллиарда лет», — сказал старший автор Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это как найти современный автомобиль среди костей динозавра и задаться вопросом, кто построил этот автомобиль в доисторические времена».

Некоторые астрофизики предположили, что большое облако газа может схлопнуться и напрямую образовать сверхмассивную черную дыру, минуя долгую историю звездного горения, аккреции и слияний. Но есть одна загвоздка: гравитация действительно стянет большое облако газа, но не в одно большое облако. Вместо этого она собирает части газа в маленькие гало, которые плавают рядом друг с другом, но не образуют черную дыру.

Причина в том, что газовое облако остывает слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противостоять гравитации. Однако если газ остывает, давление падает, и гравитация может преобладать во многих небольших областях, которые коллапсируют в плотные объекты до того, как гравитация успеет затянуть все облако в одну черную дыру.

«То, как быстро остывает газ, во многом зависит от количества молекулярного водорода», — сказал первый автор и докторант Ифань Лу. «Атомы водорода, связанные вместе в молекуле, рассеивают энергию, когда сталкиваются со свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся охлаждающими агентами, поскольку они поглощают тепловую энергию и излучают ее. Водородные облака в ранней Вселенной имели слишком много молекулярного водорода, и газ быстро охлаждался и образовывал небольшие гало вместо больших облаков».

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

«Если добавить излучение в определенном диапазоне энергий, оно разрушает молекулярный водород и создает условия, которые предотвращают фрагментацию крупных облаков», — сказал Лу.

Но откуда берется радиация?

Лишь очень малая часть материи во Вселенной является той, из которой состоят наши тела, наша планета, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Подавляющее большинство материи, обнаруженное по ее гравитационному воздействию на звездные объекты и по искривлению световых лучей от далеких источников, состоит из каких-то новых частиц, которые ученые еще не идентифицировали.

Формы и свойства темной материи, таким образом, являются загадкой, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, теоретики частиц давно предполагали, что она может содержать нестабильные частицы, которые могут распадаться на фотоны, частицы света. Включение такой темной материи в моделирование обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке, пока он коллапсирует в черную дыру.

Темная материя может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или она может состоять из более чем одного вида частиц: некоторые стабильны, а некоторые распадаются на ранних этапах. В любом случае продуктом распада может быть излучение в форме фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и не дают водородным облакам слишком быстро остыть. Даже очень слабый распад темной материи дал достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, образовав большие облака и, в конечном итоге, сверхмассивные черные дыры.

«Это может быть решением того, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются так рано», — сказал Пикер. «Если вы оптимист, вы также можете считать это положительным доказательством одного из видов темной материи. Если эти сверхмассивные черные дыры образовались в результате коллапса газового облака, возможно, необходимое дополнительное излучение должно было исходить из неизвестной физики темного сектора».

Больше информации: Yifan Lu et al, Direct Collapse Supermassive Black Holes from Relic Particle Decay, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.03909

Источник: University of California, Los Angeles