Аномально ранние сверхмассивные черные дыры появились благодаря темной материи — астрофизики

Телескоп «Джеймс Уэбб» недавно обнаружил сверхмассивные черные дыры, существующие вскоре после Большого Взрыва, хотя на тот момент в науке считалось, что для их формирования нужны миллиарды лет. Исследование, проведенное астрофизиками Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, предлагает новое объяснение: темная материя предотвращала охлаждение водорода, позволяя гравитации создавать гигантские облака, которые затем превращались в черные дыры. Научная статья вышла в Physical Review Letters.

Обычно черная дыра образуется из гигантской звезды с массой в 50 солнечных, которая выгорает и коллапсирует внутрь себя. Но такая черная дыра составляет всего около 10 солнечных масс, что далеко от миллионов и миллиарднов солнечных масс у черных дыр в ядрах галактик. Такие гигантские черные дыры могут формироваться, пожирая газ и звезды, а также сливаясь с другими черными дырами. Накопление массы таким образом занимает миллиарды лет. Почему же «Джеймс Уэбб» нашел сверхмассивные черные дыры, живущие уже через несколько сотен миллионнов лет после Большого взрыва? Новая работа ученых под руководством профессора физики и астрономии Александра Кусенко предлагает решение этой загадки.

«Неожиданно обнаружить сверхмассивную черную дыру с массой в миллиард солнечных масс, когда вселенной всего полмиллиарда лет. Это как найти современную машину среди останков динозавров и задаваться вопросом, кто построил эту машину в доисторические времена», — говорит Кусенко.

Некоторые астрофизики предполагали, что большое газовое облако может коллапсировать сразу в сверхмассивную черную дыру, минуя этапы звезды, втягивания материи и слияний с другими дырами. Однако существует проблема: гравитация действительно собирает большое облако газа, но не в один плотный сгусток. Вместо этого облако разделяется на маленькие гало.

Причина в том, что облако газа охлаждается слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противостоять гравитации. Однако при охлаждении давления становится недостаточно, и облако рассредотачивается на множество маленьких плотных объектов, прежде чем гравитация успеет собрать его во что-то сверхплотное.

«Скорость охлаждения газа зависит от количества молекулярного водорода. Молекулы водорода поглощают тепловую энергию и излучают ее. Ранние облака содержали слишком много молекулярного водорода, что приводило к быстрому охлаждению», — объясняет первый автор исследования, докторант Ифан Лу.

Ученые создали сложную симуляцию, позволяющую учитывать все возможные процессы в этой гипотезе, и обнаружили, что дополнительная радиация может нагревать газ и разрушать молекулы водорода, изменяя процесс охлаждения газа. Но откуда может взяться эта радиация?

Большая часть вещества в нашей Вселенной состоит из темной материи, выявленной только через наблюдение ее гравитации. Хотя пока неизвестно, что такое темная материя, некоторые ученые предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, которые распадаются на фотоны — частицы света. Включение такой темной материи в модели обеспечило радиацию, необходимую для удержания газа в большом облаке при его коллапсе в черную дыру.

Радиация в форме фотонов разрушает молекулярный водород и предотвращают быстрое охлаждение водородных облаков. Даже очень слабый распад темной материи обеспечивает достаточное количество радиации. Это приведет к образованию плотных облаков и, в конечном счете, — сверхмассивных черных дыр.

«Если быть оптимистом, это можно считать доказательством некоторых свойств темной материи. Возможно, необходимая дополнительная радиация исходит из неизвестных физических процессов в этом темном секторе физики Вселенной», – говорит один из авторов исследования Закари Пикер.