Тъмната материя решава загадката за съществуването на свръхмасивните черни дупки

Според ново математическо моделиране загадката, известна като проблема на последния парсек, може да бъде разрешена чрез наличието на частици самовзаимодействаща тъмна материя, които остават групирани около черните дупки, позволявайки им да преодолеят последното разстояние между тях и да се слеят.

Това е откритие, което подсказва, че мистериозната материя, която придава на Вселената допълнителна гравитация, трябва да може да взаимодейства сама със себе си, тъй като проблемът не може да бъде решен с модели на невзаимодействаща тъмна материя.

„Показваме, че включването на пренебрегвания досега ефект на тъмната материя може да помогне на свръхмасивните черни дупки да преодолеят този последен парсек на разделение и да се слеят“, казва физикът Гонсало Алонсо-Алварес от Университета в Торонто и Университета Макгил. „Нашите изчисления обясняват как това може да се случи, за разлика от това, което се смяташе досега.“

Свръхмасивните черни дупки, открити в сърцата на галактиките, поставят астрономите пред огромна загадка. Знаем, че черните дупки с по-дребен размер се образуват от колапсиралите ядра на масивни звезди, които са изчерпали горивото за термоядрен синтез. Тези по-малки маси могат да се сливат в по-големи; най-масивното сливане на черни дупки, засечено досега, е създало обект с маса, равна на 142 слънца.

Свръхмасивните черни дупки са милиони до милиарди пъти по-масивни от Слънцето. Разумно е да се предположи, че те могат да станат толкова големи чрез сливане с други черни дупки с чудовищни размери. В историята на Вселената дори сме забелязали свръхмасивни черни дупки, които обикалят една около друга, след като галактиките им са се слели, като че ли с цел евентуален сблъсък.

Не е ясно обаче как се сблъскват. Според моделите, докато свръхмасивните черни дупки обикалят една около друга, те предават орбиталната си енергия на звездите и газа около тях, което води до това, че орбитата им става все по-малка. С намаляването на разстоянието между тях се свива и количеството на нещата, които могат да отнемат техния импулс.

По времето, когато са на разстояние около един парсек - около 3,2 светлинни години - галактическото им съседство вече не може да поддържа по-нататъшно разпадане на орбитите, така че орбитите на черните дупки се стабилизират за един много дълъг период от време. Какъв? По-дълго, отколкото е съществувала Вселената.

Един от начините да се определи дали свръхмасивните черни дупки наистина са се сливали в миналото включва гравитационните вълни - огромни пулсации в тъканта на пространство-времето, причинени от големи маси, когато те променят скоростта си. Ако свръхмасивните черни дупки се сблъскват във Вселената, би трябвало да има характерно фоново „бучене“ на гравитационни вълни с много ниска честота, които постоянно се раздират във Вселената.

Най-накрая открихме фоново бучене на гравитационна вълна. Това предполага, че пропускаме важна част от историята на сблъсъка на свръхмасивни черни дупки.

Това е проблемът на последния парсек.

Вероятно пропускаме именно тъмната материя. И все пак според предишни модели на сливащи се свръхмасивни черни дупки гравитационното им взаимодействие би трябвало да изхвърли и частици тъмна материя далеч от системата, които иначе биха могли да погълнат последната част от орбиталната енергия.

Проблемът с тъмната материя е, че не знаем какво представлява тя. Не взаимодейства с нормалната материя на Вселената извън гравитационното си привличане, което я прави изключително трудна за изследване. Наистина я наричаме тъмна материя като условен термин и учените се опитват да разберат нейните свойства, като изучават поведението на Вселената по други начини.

Алонсо-Алварес и колегите му си задават въпроса дали не сме прибързали с изключването на тъмната материя като решение. Ето защо те създават математически модели, за да проверят. Именно така откриват, че тъмната материя, която взаимодейства със себе си, може да остане в близост до сливащите се свръхмасивни черни дупки. По този начин тя им дава нещо, на което да предадат последната си орбитална енергия, за да могат накрая да се слеят, образувайки една изключително голяма свръхмасивна черна дупка.

В момента резултатите са доста теоретични, но дават прогнози, които могат да бъдат наблюдавани. Например откритията предвиждат смекчаване на фоновото бръмчене на гравитационните вълни, чиито наченки вече са наблюдавани. А резултатите могат да се използват и за разбиране на ореолите от тъмна материя, които обграждат галактиките в цялата Вселена, тъй като частиците трябва да взаимодействат в галактически мащаб, за да може да се реши проблемът с последния парсек.

Накрая изследователите казват, че техните открития представляват нов инструмент за разгадаване на тайните на тъмната материя.

„Нашата работа е нов начин, който ще ни помогне да разберем природата на частиците на тъмната материя“, казва Алонсо-Алварес. „Установихме, че еволюцията на орбитите на черните дупки е много чувствителна към микрофизиката на тъмната материя и това означава, че можем да използваме наблюденията на сливанията на свръхмасивните черни дупки, за да разберем по-добре тези частици.“

Изследването е публикувано във Physical Review Letters.

Източник: Science Alert