|
Связь между черными дырами и темной материей
|
|
|
|
Исследователи обнаружили связь между некоторыми из самых больших и самых маленьких объектов в космосе: сверхмассивными черными дырами и частицами темной материи.
|
|
|
|
Их новые расчеты показывают, что пары сверхмассивных черных дыр (SMBH) могут сливаться в одну более крупную черную дыру из-за ранее недооцененного поведения частиц темной материи, предлагая решение давней "проблемы последнего парсека" в астрономии.
|
|
|
|
Исследование описано в статье "Самодействующая темная материя решает последнюю проблему слияния сверхмассивных черных дыр в масштабе парсека", опубликованной в этом месяце в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
В 2023 году астрофизики объявили об обнаружении "гула" гравитационных волн, пронизывающих Вселенную. Они предположили, что этот фоновый сигнал исходит от миллионов сливающихся пар малых звезд, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
|
|
|
|
Однако теоретическое моделирование показало, что по мере того, как пары этих гигантских небесных объектов сближаются по спирали, их сближение прекращается, когда они находятся примерно в парсеке друг от друга — на расстоянии около трех световых лет, — что препятствует слиянию.
|
|
|
Эта "проблема последнего парсека" не только противоречила теории о том, что источником фоновых гравитационных волн являются сливающиеся небольшие дыры, но и противоречила теории о том, что небольшие дыры возникают в результате слияния менее массивных черных дыр.
|
|
|
|
"Мы показываем, что включение ранее недооцененного эффекта темной материи может помочь сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и объединиться", - говорит соавтор статьи Гонсало Алонсо-Альварес, научный сотрудник физического факультета Университета Торонто и физического факультета Космического института Троттье в Торонто. Университет Макгилла. "Наши расчеты объясняют, как это может произойти, в отличие от того, что считалось ранее".
|
|
|
|
Соавторами статьи являются профессор Джеймс Клайн из Университета Макгилла и факультета теоретической физики ЦЕРНА в Швейцарии, а также Кейтлин Дьюар, студентка магистратуры по физике в университете Макгилла.
|
|
|
|
Считается, что небольшие звездные скопления находятся в центрах большинства галактик, и когда две галактики сталкиваются, они выходят на орбиту друг вокруг друга. Когда они вращаются друг вокруг друга, гравитационное притяжение близлежащих звезд притягивает их и замедляет. В результате малые и средние предприятия движутся по спирали к слиянию.
|
|
|
|
Предыдущие модели слияния показали, что, когда SMBH приближаются примерно на расстояние парсека, они начинают взаимодействовать с облаком темной материи или гало, в которое они встроены. Они указали, что гравитация вращающихся малых звезд выбрасывает частицы темной материи за пределы системы, а результирующая разреженность темной материи означает, что энергия не извлекается из пары, и их взаимные орбиты больше не сжимаются.
|
|
|
|
В то время как эти модели отвергали влияние темной материи на орбиты SMBH, новая модель Алонсо-Альвареса и его коллег показывает, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом таким образом, что они не рассеиваются. Плотность гало темной материи остается достаточно высокой, чтобы взаимодействия между частицами и сверхмощными объектами продолжали разрушать орбиты сверхмощных объектов, расчищая путь к слиянию.
|
|
|
|
"Возможность взаимодействия частиц темной материи друг с другом - это предположение, которое мы сделали, дополнительный компонент, который содержится не во всех моделях темной материи", - говорит Алонсо-Альварес. "Наш аргумент заключается в том, что только модели, содержащие этот компонент, могут решить последнюю проблему с парсеком".
|
|
|
|
Фоновый шум, создаваемый этими колоссальными космическими столкновениями, состоит из гравитационных волн гораздо большей длины волны, чем те, которые впервые были обнаружены в 2015 году астрофизиками, работающими в гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO). Эти гравитационные волны были порождены слиянием двух черных дыр, масса которых примерно в 30 раз превышает массу Солнца.
|
|
|
|
В последние годы ученые, работающие с системой Pulsar Timing Array, обнаружили фоновый шум. Эта система выявляет гравитационные волны, измеряя незначительные колебания сигналов от пульсаров, быстро вращающихся нейтронных звезд, которые излучают мощные радиоимпульсы.
|
|
|
|
"Согласно нашему предположению, спектр гравитационных волн, наблюдаемых с помощью временных матриц пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах", - говорит Клайн. "Текущие данные уже указывают на такое поведение, и новые данные могут подтвердить это в ближайшие несколько лет".
|
|
|
|
Помимо того, что новый результат дает представление о слияниях SBMH и фоновом сигнале гравитационных волн, он также открывает окно в природу темной материи.
|
|
|
|
"Наша работа - это новый способ помочь нам понять природу частиц темной материи", - говорит Алонсо-Альварес. "Мы обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, и это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы".
|
|
|
|
Например, исследователи обнаружили, что взаимодействия между частицами темной материи, которые они смоделировали, также объясняют форму галактических ореолов темной материи.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что проблема последнего парсека может быть решена только в том случае, если частицы темной материи будут взаимодействовать со скоростью, которая может изменить распределение темной материи в масштабах галактики", - говорит Алонсо-Альварес. "Это было неожиданно, поскольку физические масштабы, на которых происходят процессы, различаются на три или более порядка. Это захватывающе".
|
|
|
|
Источник
|
