«Проблема последнего парсека» решена? Астрофизики объясняют слияние черных дыр влиянием темной материи
В центрах галактик скрываются сверхмассивные черные дыры, чья масса может в миллионы и даже миллиарды раз превосходить массу нашего Солнца. Астрономические наблюдения показывают, что эти объекты не всегда изолированы: под действием гравитации они образуют пары и вращаются вокруг общего центра масс. Этот процесс, известный как орбитальный распад, неизбежно приводит к столкновению и слиянию черных дыр.
Слияние сверхмассивных черных дыр сопровождается выделением огромного количества энергии в форме гравитационных волн — искажений пространства-времени. Распространяясь по Вселенной, эти волны несут информацию о своих источниках. Регистрируя их, астрономы получают возможность изучать самые мощные гравитационные взаимодействия.
Для регистрации гравитационных волн используются пульсарные тайминговые массивы. Принцип их работы основан на анализе сигналов пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих периодические импульсы радиоволн. Прохождение гравитационных волн между Землей и пульсаром влияет на время прибытия импульсов. Эти изменения фиксируются радиотелескопами.
Данные, полученные пульсарными тайминговыми массивами NANOGrav, PPTA и EPTA, указывают на наличие в нашей галактике фона гравитационных волн, предположительно возникшего в результате множества слияний сверхмассивных черных дыр в течение миллиардов лет.
Однако на пути к слиянию черные дыры сталкиваются с препятствием, известным как «проблема последнего парсека».
На больших расстояниях (более одного парсека, что равно 3,26 световых лет) орбитальный распад черных дыр происходит благодаря динамическому трению. При движении в звездном окружении черные дыры гравитационно взаимодействуют со звездами, теряя при этом часть своей орбитальной энергии и момента импульса. Это приводит к уменьшению расстояния между ними.
Однако когда расстояние между черными дырами сокращается до одного парсека и менее, эффективность динамического трения резко падает. Плотность звезд в центральных областях галактик обычно не достаточно велика, чтобы обеспечить дальнейшее сближение черных дыр за разумное время.
Возникает противоречие: с одной стороны, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что слияния сверхмассивных черных дыр происходят регулярно, с другой стороны, стандартные модели динамики галактик не могут объяснить, как черные дыры преодолевают этот последний парсек.
В попытках решить «проблему последнего парсека» ученые обратились к темной материи — невидимой и пока не изученной субстанции, составляющей подавляющую часть массы Вселенной. Возможно, взаимодействие с темной материей — ключевой фактор, помогающий сверхмассивным черным дырам преодолеть последний барьер на пути к слиянию.
Согласно одной из моделей, темная материя обладает свойством самовзаимодействия. То есть частицы темной материи могут взаимодействовать друг с другом не только гравитационно, но и посредством других, неизвестных нам сил.
Согласно этой модели, двигаясь сквозь гало темной материи, сверхмассивная черная дыра захватывает ее частицы и формирует вокруг себя плотный «ореол». Самовзаимодействие частиц темной материи приводит к тому, что этот ореол становится более плотным и массивным, чем предсказывает стандартная модель.
Гравитационное влияние плотного ореола темной материи приводит к тому, что орбитальная энергия и момент импульса черных дыр более эффективно передаются частицам темной материи. Этот процесс ускоряет сближение черных дыр даже на расстояниях, где гравитационное влияние звезд уже не играет существенной роли.
Таким образом, самовзаимодействующая темная материя может выступать в роли «катализатора», облегчающего слияние сверхмассивных черных дыр и позволяющего им преодолеть «проблему последнего парсека».
Стоит отметить, что гипотеза о самовзаимодействующей темной матери не только предлагает решение «проблемы последнего парсека», но и может объяснить ряд астрофизических наблюдений, связанных со структурой галактик и их скоплений, которые не вписываются в рамки стандартной модели холодной темной материи.
Дальнейшее развитие гравитационно-волновой астрономии, а также лабораторные эксперименты по поиску частиц темной материи, позволят проверить эту гипотезу и получить больше информации о природе темной материи.
Изображение в превью:
Автор: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Noble; simulation data, d'Ascoli et al. 2018
Источник: svs.gsfc.nasa.gov