Считаются, что сверхмассивные черные дыры формируются при слиянии двух меньших черных дыр. Однако в симуляциях большинство пар массивных черных дыр застревают, бесконечно вращаясь друг вокруг друга на расстоянии порядка одного парсека (примерно 3,26 световых лет). Известные законы физики как будто «мешают» им слиться и подтвердить теорию. Это называется «проблемой последнего парсека». Теперь, возможно, ее решение найдено — и это может также помочь раскрыть одну из самых загадочных тайн Вселенной, пишет Live science.
Доказательства столкновений черных дыр появились в 2023 году, когда ученые по данным времени прихода сигналов от пульсаров открыли фон от гравитационных волн — колебаний ткани пространства-времени при слияниях чрезвычайно массивных объектов. Астрономы считают, что этот фон создается удаленными парами массивных черных дыр, посылая пространство «звенеть» гравитационным эхом их далекого столкновения.
Чтобы столкнуться и слиться, черные дыры должны сначала потерять энергию и замедлиться. При сближении с огромных расстояний черные дыры летят сквозь облака газа и скопления звезд, замедляющих их движение. Однако на расстоянии одного парсека материала, способного отнимать энергию, недостаточно, и модели предсказывают, что завершение слияния затянулось бы дольше возраста вселенной. Ученые предложили несколько решений этой проблемы. Одно из возможных решений заключается в наличии аккреционного диска, вращающегося вокруг черных дыр, который может ускорить их падение. Компьютерные модели показывают, что это может сократить время до нескольких миллиардов лет, но этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый гравитационный фон и как сверхмассивные черные дыры могут вырастать до таких огромных размеров.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, предложено новое решение: черные дыры могут терять оставшуюся энергию, если темная материя обладает способностью к взаимодействию с самой собой.
«Наш аргумент заключается в том, что только модели с этим элементом могут решить проблему последнего парсека», — говорит ведущий автор исследования Гонсало Алонсо-Альварес, постдокторант в Университете Торонто.
Хотя темной материи в пять раз больше, чем обычной, она по сути невидима, и о ее свойствах известно очень мало. В «нашем мире» она проявляется только в виде «избыточной гравитации. Если темная материя взаимодействует хотя бы сама с собой, это может объяснить структуры малых масштабов в галактиках, которые не вписываются в другие концепции, а также формирование неожиданно больших галактик в ранней Вселенной.
Гравитационное притяжение сверхмассивной черной дыры привлекает темную материю в плотное скопление, которое астрофизики называют «шипом». Когда ученые отрегулировали в своих моделях свойства темной материи, делая ее взаимодействующей внутри себя, обнаружили, что «шип» поглощал энергию, не разрушаясь. Черные дыры продолжали сближаться по спирали, достигая зоны, где начинали излучать гравитационные волны. В этих моделях черные дыры сливаются менее чем за миллиард лет — временной масштаб, достаточный, чтобы неисчислимое количество слияний могло производить наблюдаемый гравитационный фон.
Новые модели могут решить еще одну теоретическую загадку, которая проявлялась в симуляциях: почему гравитационные волны смягчаются, как бы уменьшаясь по мере сближения черных дыр. Если темная материя умеет взаимодействовать сама с собой, «шип» темной материи не только поглотил энергию, но и смягчил спектр гравитационных волн. Если будущие измерения подтвердят смягчение спектра гравитационных волн, ученые наконец могут узнать больше о неуловимых свойствах темной материи.
