Исследование указывает на зародышевую черную дыру, образовавшуюся в результате коллапса темной материи

Сверхмассивные черные дыры или СМЧД — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу Солнца. В Млечном Пути находится СМЧД с массой в несколько миллионов раз больше массы Солнца.

Удивительно, но астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные чёрные дыры уже существовали, когда Вселенная была очень молодой. Например, черные дыры с массой в миллиард солнечных масс были обнаружены, когда Вселенной было всего 6% от ее нынешнего возраста. Как возникни эти сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной?

Команда ученых, возглавляемая физиком-теоретиком из Калифорнийского университета в Риверсайде, предложила объяснение: массивная черная дыра — зародыш, которая может образоваться в результате коллапса гало темной материи.

Ореол темной материи — это ореол невидимой материи, окружающий галактику или скопление галактик. Хотя темная материя никогда не была обнаружена в лабораториях, физики уверены, что эта загадочная материя, составляющая 85% материи Вселенной, существует. Если бы видимая материя галактики не была заключена в ореол темной материи, она разлетелась бы на части.

«Физики недоумевают, почему сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной, расположенные в центральных областях ореолов темной материи, растут так сильно за короткое время», — сказал Хай-Бо Ю, доцент физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде, который руководил исследованием.

«Это похоже на 5-летнего ребенка, который весит, скажем, 100 кг. Такой ребенок удивил бы всех нас, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Что касается черных дыр, у физиков есть общие ожидания относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Присутствие сверхмассивных черных дыр предполагает, что эти общие ожидания были нарушены, что требует новых знаний. И это захватывающе».

Черная дыра — зародыш — это черная дыра на начальной стадии, сродни младенческой стадии в жизни человека.

«Мы можем думать о двух причинах», — добавил Хай-Бо Ю. «Семя — или «младенец» — черная дыра либо намного массивнее, либо растет намного быстрее, чем мы думали, либо и то, и другое. Тогда возникает вопрос, каковы физические механизмы для создания достаточно массивной черной дыры или достижения достаточно быстрого роста?»

«Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи. Наша статья показывает, что если темная материя имеет самовзаимодействие, то гравотермический коллапс гало может привести к достаточно массивной черной дыре-зародышу. Скорость ее роста будет больше соответствовать общим ожиданиям».

В астрофизике популярным механизмом, используемым для объяснения сверхмассивных черных дыр, является коллапс чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной.

«Этот механизм, однако, не может создать достаточно массивную зародышевую черную дыру, чтобы вместить недавно обнаруженные сверхмассивные ЧД — если только черная дыра не испытала чрезвычайно высокую скорость роста», — говорят ученые.

«Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравотермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру».

Объяснение, предлагаемое Хай-Бо Ю и его коллегами, работает следующим образом:

Частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи. Во время эволюции ореола действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление.

В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация притягивает их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают обратно.

Однако, в случае самовзаимодействия темной материи, самовзаимодействие может переносить тепло от этих «более горячих» частиц к ближайшим более холодным. Это затрудняет отскок частиц темной материи.

Центральное гало, которое могло бы схлопнуться в черную дыру, обладает угловым моментом, то есть вращается. Самовзаимодействие может вызвать вязкость или «трение», которое рассеивает угловой момент. В процессе схлопывания центральный ореол, имеющий фиксированную массу, сжимается по радиусу и замедляется во вращении из-за вязкости.

По мере продолжения эволюции центральный гало в конечном итоге схлопывается до особого состояния: зародышевой черной дыры. Этот зародыш может стать более массивным за счет аккреции окружающей барионной или видимой материи, такой как газ и звезды.

«Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи», — говорят исследователи. «Таким образом, он может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».

Новая идея состоит в том, что исследователи определяют важность барионов — обычных атомных и молекулярных частиц — для реализации этой идеи.

«Во-первых, мы показываем, что присутствие барионов, таких как газ и звезды, может значительно ускорить наступление гравотермического коллапса ореола, а черная дыра может быть создана достаточно быстро. Во-вторых, мы показываем, что самовзаимодействие может вызвать вязкость, которая рассеивает остаток углового момента центрального гало».

«В-третьих, мы разрабатываем метод для изучения условия запуска общей релятивистской нестабильности коллапсирующего гало, которое гарантирует, что при выполнении этого условия может образоваться начальная черная дыра.»

За последнее десятилетие Хай-Бо Ю исследовал новые предсказания самосопряжений темной материи и их наблюдательные последствия. Его работа показала, что самовзаимодействующая темная материя может дать хорошее объяснение наблюдаемому движению звезд и газа в галактиках.

Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.