|
Темная материя могла способствовать образованию черных дыр
|
|
|
|
Для образования сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь, требуется много времени. Как правило, для образования черной дыры требуется, чтобы гигантская звезда массой не менее 50 наших солнц сгорела — процесс, который может занять миллиард лет, — а ее ядро разрушилось само по себе.
|
|
|
|
Тем не менее, получившаяся черная дыра массой всего около 10 солнечных масс очень далека от черной дыры Стрелец А* массой 4 миллиона солнечных масс, обнаруженной в нашей галактике Млечный Путь, или сверхмассивных черных дыр массой миллиард солнечных масс, обнаруженных в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из черных дыр меньшего размера путем аккреции газа и звезд, а также путем слияния с другими черными дырами, на что уходят миллиарды лет.
|
|
|
|
Почему же тогда космический телескоп Джеймса Уэбба обнаруживает сверхмассивные черные дыры почти в самом начале времен, за эоны до того, как они должны были образоваться? У астрофизиков Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе есть ответ, столь же загадочный, как и сами черные дыры: темная материя удерживала водород от охлаждения достаточно долго, чтобы под действием силы тяжести он сконденсировался в облака, достаточно большие и плотные, чтобы превратиться в черные дыры, а не в звезды. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
"Как удивительно было обнаружить сверхмассивную черную дыру массой в миллиард солнечных, когда самой Вселенной всего полмиллиарда лет", - сказал старший автор Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Это все равно что найти современный автомобиль среди костей динозавра и задаться вопросом, кто построил этот автомобиль в доисторические времена".
|
|
|
|
Некоторые астрофизики предположили, что большое облако газа может коллапсировать, образуя непосредственно сверхмассивную черную дыру, минуя долгую историю горения, аккреции и слияний звезд. Но есть одна загвоздка: гравитация действительно стягивает большое облако газа, но не в одно большое облако. Вместо этого она собирает частицы газа в маленькие ореолы, которые плавают рядом друг с другом, но не образуют черную дыру.
|
|
|
|
Причина в том, что газовое облако охлаждается слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противостоять силе тяжести. Однако, если газ охлаждается, давление снижается, и гравитация может преобладать во многих небольших областях, которые сжимаются в плотные объекты, прежде чем гравитация успевает стянуть все облако в единую черную дыру.
|
|
|
|
"Скорость охлаждения газа во многом зависит от количества молекулярного водорода", - сказал первый автор и докторант Ифань Лу. "Атомы водорода, связанные вместе в молекуле, рассеивают энергию, когда сталкиваются с незакрепленным атомом водорода. Молекулы водорода становятся охлаждающими веществами, поскольку они поглощают тепловую энергию и излучают ее. В водородных облаках ранней Вселенной было слишком много молекулярного водорода, и газ быстро охлаждался, образуя небольшие ореолы вместо больших облаков."
|
|
|
|
Лу и аспирант-исследователь Захари Пикер написали код для расчета всех возможных процессов по этому сценарию и обнаружили, что дополнительное излучение может нагревать газ и диссоциировать молекулы водорода, изменяя способ охлаждения газа.
|
|
|
|
"Если добавить излучение в определенном диапазоне энергий, оно разрушит молекулярный водород и создаст условия, препятствующие фрагментации больших облаков", - сказал Лу.
|
|
|
|
Но откуда берется излучение?
|
|
|
|
Лишь очень малая часть материи во Вселенной - это та, из которой состоят наши тела, наша планета, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Подавляющее большинство вещества, обнаруживаемого по его гравитационному воздействию на звездные объекты и по изгибу световых лучей от удаленных источников, состоит из каких-то новых частиц, которые ученые пока не идентифицировали.
|
|
|
|
Таким образом, формы и свойства темной материи остаются загадкой, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, специалисты по теории элементарных частиц давно предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, способные распадаться на фотоны, частицы света. Включение такой темной материи в моделирование обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке, пока оно коллапсирует в черную дыру.
|
|
|
|
Темная материя может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или из нескольких видов частиц: некоторые из них стабильны, а некоторые распадаются на ранних стадиях. В любом случае, результатом распада может быть излучение в виде фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и препятствуют слишком быстрому охлаждению водородных облаков. Даже очень слабый распад темной материи дает достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, образуя большие облака и, в конечном счете, сверхмассивные черные дыры.
|
|
|
|
"Это может быть объяснением того, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются очень рано", - сказал Пикер. "Если вы настроены оптимистично, вы также можете расценить это как положительное доказательство существования одного из видов темной материи. Если эти сверхмассивные черные дыры образовались в результате коллапса газового облака, возможно, необходимое дополнительное излучение должно было исходить от неизвестной физики темного сектора".
|
|
|
|
Источник
|
