«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.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/0660c9049f.png?w=877)
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.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/0cf0312daa.png?w=877)
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.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/803e2b112a.png?w=877)
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.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/9e83b33ebc.png?w=877)
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.
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/7a718ff57e.png?w=877)
Таким образом, самовзаимодействующая темная материя может выступать в роли «катализатора», облегчающего слияние сверхмассивных черных дыр и позволяющего им преодолеть «проблему последнего парсека».
![](https://img.ixbt.site/live/images/original/31/86/97/2024/07/23/ae33186bd6.png?w=877)
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.
Источник: svs.gsfc.nasa.gov
0 комментариев
Добавить комментарий
Добавить комментарий