Темная материя может быть движущей силой слияния черных дыр
Исследователи обнаружили значительную связь между сверхмассивными черными дырами (SMBH) и частицами темной материи, что потенциально может решить давнюю «проблему последнего парсека» в астрономии.
Это открытие, подробно описанное в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, позволяет предположить, что ранее не замеченное поведение частиц темной материи способствует слиянию пар SMBH в одну большую черную дыру.
Проблема последнего парсека
В 2023 году астрофизики обнаружили всепроникающий «гул» гравитационных волн во всей Вселенной. Они предположили, что этот фоновый сигнал исходит от миллионов сливающихся пар SMBH, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
Однако теоретическое моделирование показало, что сближение этих колоссальных объектов, когда они находились на расстоянии примерно одного парсека (около трех световых лет), затормозилось, что помешало слиянию.
Эта «проблема последнего парсека» противоречила теории, согласно которой сливающиеся SMBH являются источником гравитационного волнового фона и что SMBH растут в результате слияния менее массивных черных дыр.
Взаимодействие частиц темной материи
Соавтор исследования Гонсало Алонсо-Альварес (Gonzalo Alonso-Álvarez) - постдокторант физического факультета Университета Торонто и физического факультета и Космического института Троттье Университета Макгилла.
«Мы показываем, что включение ранее не учитываемого эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и объединиться», - говорит Алонсо-Бальварес. «Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее».
Исследование проводилось под руководством профессора Джеймса Клайна из Университета Макгилла и Отделения теоретической физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии и Кейтлин Дьюар, студентки магистратуры по физике в Макгилле.
Команда разработала новую модель, показывающую, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом таким образом, что они не рассеиваются.
Это взаимодействие поддерживает плотность гало из темной материи, позволяя SMBH продолжать вращаться по спирали и в конце концов слиться.
Слияние сверхмассивных черных дыр
Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства галактик. Когда две галактики сталкиваются, сверхмассивные черные дыры выходят на орбиту вокруг друг друга.
По мере вращения на них действует гравитационное притяжение близлежащих звезд, замедляя их движение и заставляя закручиваться в спираль.
Предыдущие модели показывали, что когда сверхмассивные черные дыры сближаются на расстояние парсека, они начинают взаимодействовать с облаком темной материи или гало, рассеивая частицы темной материи и прекращая отбор энергии у пары, тем самым затормаживая их взаимные орбиты.
В отличие от этих моделей, новые результаты показывают, что взаимодействие частиц темной материи предотвращает их рассеивание, сохраняя плотность гало и позволяя орбитам SMBHs деградировать дальше.
Моделирование поведения частиц темной материи
«Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, - это наше предположение, дополнительный ингредиент, который есть не во всех моделях темной материи», - отметил Алонсо-Бальварес. «Наш аргумент заключается в том, что только модели с этим ингредиентом могут решить проблему последнего парсека».
Фоновый гул, обнаруженный Pulsar Timing Array, который измеряет мельчайшие вариации сигналов от пульсаров, служит косвенным доказательством, подтверждающим эту новую модель.
«Предсказание нашего предложения состоит в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых массивами синхронизации пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах», - пояснил Клайн.
Он отметил, что текущие данные уже намекают на такое поведение, а новые данные, возможно, смогут подтвердить его в ближайшие несколько лет.
