Частицы темной материи помогут разгадать тайну слияния сверхмассивных черных дыр
Теоретические частицы темной материи могли бы объяснить, как сливаются сверхмассивные черные дыры (СМЧД) в центре галактик. Эта идея также могла бы прояснить некоторые необъяснимые особенности поведения темной материи в гораздо больших масштабах. Новое исследование опубликовано в открытом доступе в Physical Review Letters.
SMBH являются ключом к пониманию многих важнейших особенностей Вселенной, от света удивительно далеких квазаров до способа рассеивания элементов по галактике. Однако мы все еще не понимаем некоторые из их важнейших поведений, включая то, как они сливаются. Так называемая «проблема конечного парсека» относится к тому факту, что модели слияний галактик указывают на то, что слияния сверхмассивных черных дыр в их ядре не должны быть очень редкими. Вместо этого, как предполагают модели, они должны обычно сближаться, пока не окажутся на расстоянии нескольких световых лет друг от друга, но пересекать этот последний промежуток только с ледниковой медлительностью.
Хотя мы видим некоторые примеры SMBH, вращающихся друг вокруг друга, есть также много случаев слияния галактик с одной SMBH. Более того, если SMBH почти никогда не сливаются, трудно объяснить, как некоторые из них становятся такими ошеломляюще огромными. Также есть доказательства, хотя пока и не окончательные, гравитационно-волнового фона, создаваемого такими слияниями, влияющего на синхронизацию пульсаров. Каким-то образом, похоже, многие находят способ пересечь этот последний парсек (3,26 световых года). В новой статье предполагается, что частицы темной материи являются ключевыми.
СМЧД не отталкиваются друг от друга, как частицы с одинаковым зарядом, поэтому один из способов их слияния — лобовые столкновения. Однако это случается слишком редко, чтобы объяснить наблюдаемое распределение. Чаще всего они попадают на общую орбиту, как иногда делают их меньшие коллеги, звездные черные дыры. В обоих случаях расстояние медленно уменьшается, а гравитационные волны уносят часть энергии.
Однако сверхмассивные черные дыры настолько огромны, что их орбиты несут феноменальное количество энергии. Для быстрого рассеивания требуется передача ее близлежащей материи, процесс, известный как динамическое трение. Поначалу динамическое трение работает хорошо, но материя, которая получает переданную энергию, быстро покидает область, что является неизбежным следствием повышения кинетической энергии. Как только сверхмассивные черные дыры очистят свою окрестность от материи, динамическое трение прекратится. Если гравитационные волны станут единственным методом рассеивания энергии, темп сближения замедлится до точки, когда слияния должны будут происходить дольше, чем текущий возраст Вселенной.
Поэтому физики рассуждают, что должен быть какой-то другой процесс рассеивания энергии, но его природа остается загадкой. Группа под руководством доктора Гонсало Алонсо-Альвареса из Университета Торонто считает, что у них есть решение.
«Мы показываем, что включение ранее упускаемого из виду эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и объединиться», — сказал Алонсо-Альварес. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее».
Поскольку мы не знаем, что такое темная материя, мы не можем быть уверены в том, как будут вести себя ее частицы, особенно в таких экстремальных обстоятельствах, как это. Предыдущие модели предполагали, что любая темная материя в окрестностях сверхмассивных черных дыр также будет ускорена, так что к тому времени, когда сверхмассивные черные дыры будут находиться на расстоянии парсека или около того друг от друга, ее уже не будет достаточно, чтобы вызвать дальнейший орбитальный распад.
Однако Алонсо-Альварес и соавторы рассматривали альтернативу, согласно которой взаимодействия между частицами темной материи предотвращают их рассеивание. «Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, — это предположение, которое мы сделали, дополнительный ингредиент, который не все модели темной материи содержат», — сказал Алонсо-Альварес. «Наш аргумент заключается в том, что только модели с этим ингредиентом могут решить окончательную задачу парсека».
Без обнаружения таких частиц и наблюдения за их взаимодействием команда не может быть уверена в своей правоте, но есть и другие практические тесты, которые укрепят уверенность. В частности, если они правы, низкочастотный конец гравитационных волн, создаваемых сверхмассивными черными дырами, должен показывать определенную сигнатуру. «Текущие данные уже намекают на такое поведение, и новые данные, возможно, смогут подтвердить его в ближайшие несколько лет», — сказал соавтор исследования профессор Джеймс Клайн из Университета Макгилла.
Частицы темной материи не могут взаимодействовать, если их не существует. Большинство физиков уверены, что они существуют, но наша неспособность обнаружить эти частицы в последние годы заставила меньшинство, которое оспаривает эту идею, стать более активным. Если гравитационные волны сверхмассивных чёрных дыр покажут закономерность, которую ожидают авторы, это развеет любые сомнения относительно существования темной материи, даже если мы по-прежнему не сможем идентифицировать сами частицы.
Такое подтверждение также расширило бы то немногое, что мы знаем о темной материи, с более широкими последствиями. «Наша работа — это новый способ помочь нам понять корпускулярную природу темной материи», — сказал Алонсо-Альварес. Такие взаимодействия повлияли бы на форму гало темной материи вокруг галактик, приведя модели в большее соответствие с тем, как галактики, как было замечено, группируются в скопления. «Это было неожиданно», — сказал Алонсо-Альварес, «поскольку физические масштабы, в которых происходят процессы, отличаются на три или более порядков. Это волнующе».