Темная материя и образование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной могут быть связаны

Во Вселенной есть много удивительных вещей, и черные дыры — одни из самых известных. Никто не знает наверняка, что происходит внутри черной дыры, и даже формирование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной все еще обсуждается. Группа физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории задалась этим вопросом и предложила возможное решение загадки. Природа темной материи также может быть решена их теорией.

«Пока остается без ответа вопрос о природе темной материи и о том, как первичные сверхмассивные черные дыры могли расти так быстро за такой короткий промежуток времени, — это два насущных открытых вопроса в физике и астрофизике. Желателен поиск общего объяснения этих наблюдений, которое могло бы дать нам представление о внутренней работе Вселенной», – говорят ученые.

Наблюдения показали, что в ранней Вселенной могли образоваться сверхмассивные черные дыры. Согласно нынешнему пониманию того, как формируются черные дыры, для этого не хватило бы времени. Ни аккреция (когда материя падает в черную дыру), ни галактические столкновения не могут объяснить появление первичных сверхмассивных черных дыр.

Физики-теоретики Хуман Давудиасль, Питер Дентон и Джулия Герляйн разработали модель, которая описывает одно из возможных решений, используя представление о темной материи как о сверхлегкой массе, которая на 28 порядков легче массы протона, и, возможно, охватывает световые годы на частицу.

«В нашем случае мы заметили, что [ультраслабые карликовые галактики] демонстрируют некоторые предварительные намеки на то, что темная материя может быть сверхлегкой», — говорит Питер Дентон.

Есть некоторые свидетельства того, что распределение темной материи этих галактик не резко направлено к центру, как можно было бы ожидать. Сверхлегкая темная материя могла бы объяснить это. «Если ширина распределения темной материи сопоставима во всех галактиках, это может указывать на то, что темная материя имеет характерный размер и является сверхлегкой».

Если темная материя является сверхлегкой, то это может быть ключом к объяснению образования первичных сверхмассивных черных дыр.

По словам ученых, условия, необходимые для коллапса материи и образования черной дыры сверхмассивного размера, были как раз «через несколько дней после Большого взрыва, когда температура Вселенной была близка к температуре ядра Солнца».

Это около 15 миллионов кельвинов. Такие температуры были бы необходимы для существования этого конкретного типа материи. Как только температура Вселенной достигла определенного уровня, давление могло упасть до очень низкой величины, позволив материи коллапсировать под действием гравитации. Этого не произошло бы с известными частицами, отсюда и идея сверхлегкой темной материи.

Такой коллапс материи вызовет гравитационные волны. «Эти волны имеют характерную форму, поэтому мы делаем прогноз для этого сигнала и его ожидаемого частотного диапазона», — говорит Питер Дентон.

Когда более чувствительные лаборатории следующего поколения появятся в будущем, они смогут обнаружить эти волны и подтвердить теорию о том, что темная материя является или могла быть сверхлегкой. Затем ученые могли бы собрать больше кусочков головоломки, чтобы получить более четкое представление о темной материи, черных дырах и нашей Вселенной.