|
Темная материя поможет решить проблему последнего парсека
|
|
|
|
В новом исследовании ученые из Канады предложили решение последней проблемы слияния сверхмассивных черных дыр (SMBH) с использованием самодействующей темной материи.
|
|
|
|
Когда две галактики сливаются, газ и пыль сталкиваются, что приводит к образованию звезд. Однако сами звезды не сталкиваются из-за их огромных расстояний. Точки в центре двух галактик также начинают сливаться.
|
|
|
|
Однако слияние черных дыр прекращается, когда они оказываются на расстоянии 1 парсека (или 30,9 трлн километров) друг от друга. В астрономии и астрофизике эта проблема известна как проблема последнего парсека.
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters (PRL), пытается решить эту проблему и объяснить спектр гравитационных волн, наблюдавшийся в 2021 году сотрудниками Pulsar Timing Array collaborations.
|
|
|
|
Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Гонсало Алонсо Альваресом, постдоком Университета Торонто.
|
|
|
Говоря о мотивации работы команды, он сказал: "Что нас больше всего поразило, когда Pulsar Timing Array collaborations объявила о доказательствах существования спектра гравитационных волн, так это то, что появились возможности для проверки новых сценариев физики элементарных частиц, в частности самодействия темной материи, даже в рамках стандартного астрофизического объяснения сверхмассивной черной дыры слияния."
|
|
Зачем останавливаться на 1 парсеке?
|
|
|
|
Когда небольшие расстояния от двух сливающихся галактик разделены 1 парсеком, в действие вступают два противодействующих фактора.
|
|
|
|
Во-первых, крупные объекты, такие как SMBH, вызывают рябь в пространстве-времени, что приводит к образованию гравитационных волн, которые распространяются по всему пространству-времени. Эти гравитационные волны уносят энергию от источника. Когда две сверхмалые дыры сливаются, гравитационные волны уносят энергию от слияния, заставляя черные дыры быстрее вращаться по спирали внутрь.
|
|
|
|
Вторая - это сила трения, называемая динамическим трением. Когда массивные объекты, такие как черные дыры, перемещаются в среде (например, в пыли или звездах), за ними остается след из возмущенной жидкости, называемый кильватерным следом. Например, когда судно движется по воде, оно оставляет за собой турбулентный водяной след - это и есть его кильватерная струя.
|
|
|
|
Частицы, притягиваемые к судну под действием силы тяжести, могут вызывать силу сопротивления, которая называется динамическим трением. Это трение препятствует движению массивного объекта, заставляя его замедляться. В случае слияния двух малых объектов это может привести к тому, что они перестанут двигаться навстречу друг другу.
|
|
|
|
"Предыдущие расчеты показали, что этот процесс останавливается, когда черные дыры находятся на расстоянии около 1 парсека друг от друга, и эту ситуацию иногда называют проблемой последнего парсека", - пояснил доктор Альварес.
|
|
|
|
Именно здесь в игру вступает динамическое трение. Это может либо препятствовать, либо способствовать слиянию двух SMBH.
|
|
Самодействующая темная материя
|
|
|
|
Исследователи предполагают, что решением этой проблемы может быть некая форма темной материи.
|
|
|
|
"В этой статье мы показываем, что включение ранее не учитываемого эффекта темной материи может помочь черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слиться, излучая, таким образом, гравитационно-волновой сигнал, который совпадает с тем, который наблюдается с помощью временных матриц пульсаров", - сказал доктор Альварес.
|
|
|
|
В галактике темная материя преимущественно присутствует в галактическом гало, области, окружающей видимую галактику. Но она также присутствует вблизи ядра галактики, где находится SMBH. Следовательно, природа темной материи может сыграть решающую роль в слиянии SMBH.
|
|
|
|
Самодействующая темная материя (SIDM) - это гипотетическая форма темной материи, в которой частицы темной материи взаимодействуют друг с другом с помощью новой неизвестной силы.
|
|
|
|
В галактиках, содержащих SIDM, взаимодействия между частицами темной материи могут влиять на плотность (распределение) и скорость движения темной материи, что приводит к более эффективному направлению вещества и энергии к SMBH, что потенциально может преодолеть динамическое трение.
|
|
Хрупкий баланс
|
|
|
|
Чтобы изучить роль SIDM в слиянии SMBH, исследователи провели подробные расчеты профилей плотности темной материи вокруг SMBH для SIDM и холодной темной материи (менее взаимодействующей).
|
|
|
|
Они также смоделировали эффекты динамического трения на орбитах SMBH, рассчитали передачу энергии между SMBH и темной материей и провели моделирование спектров гравитационных волн в различных сценариях с темной материей.
|
|
|
|
Затем они сравнили эти результаты с данными наблюдений, полученными из временных массивов пульсаров.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что поперечное сечение взаимодействия частиц темной материи должно быть в пределах оптимального диапазона. Большая площадь поперечного сечения, что означает более частые взаимодействия, приводит к взаимодействию и рассеянию частиц темной материи, выравнивая профиль плотности вблизи мелких частиц.
|
|
|
|
Это уменьшение плотности уменьшает динамическое трение, необходимое для слияния малых частиц.
|
|
|
|
"С другой стороны, необходимы достаточно частые самодействия темной материи, чтобы предотвратить рассеивание этого профиля из-за движения черной дыры", - пояснил доктор Альварес.
|
|
|
|
Идеальный диапазон поперечных сечений обеспечивает достаточное количество взаимодействий, чтобы влиять на движение малых частиц без чрезмерного рассеивания темной материи, тем самым поддерживая достаточное динамическое трение, способствующее процессу слияния.
|
|
|
|
Исследователи обнаружили, что это значение составляет от 2,5 до 25 см2/г. Это означает, что на каждый грамм темной материи приходится эффективная площадь взаимодействия частиц, которая должна составлять от 2,5 до 25 квадратных сантиметров.
|
|
Взаимодействие зависит от скорости
|
|
|
|
Исследователи также обнаружили, что скорость частиц SIDM должна быть оптимальной. На эту скорость, в свою очередь, влияет неизвестная масса носителя силы или медиатора, которая облегчает взаимодействие между частицами SIDM.
|
|
|
|
Если посредник тяжелый, это может означать, что частицы темной материи существенно взаимодействуют только тогда, когда они движутся медленно относительно друг друга. И наоборот, если посредник легкий, взаимодействия могут происходить с более высокими скоростями.
|
|
|
|
"Интересно, что эта зависимость от скорости теоретически обоснована. Это именно то, что можно обнаружить, если частица, которая действует как переносчик силы для самодействия темной материи, имеет массу, составляющую примерно 1 процент от массы частицы темной материи", - сказал доктор Альварес.
|
|
|
|
Исследователи оценили это значение в диапазоне от 300 до 600 км/с.
|
|
|
|
"Эти зависящие от скорости самовзаимодействия накладывают отпечаток на спектр гравитационных волн, потому что, когда черные дыры находятся на расстоянии долей парсека друг от друга, значительная часть орбитальной энергии теряется из-за трения темной материи, а не из-за излучения гравитационных волн, что в какой-то момент относительно подавляет сигнал гравитационных волн. частоты по сравнению с другими", - добавил доктор Альварес.
|
|
Последствия и будущая работа
|
|
|
|
Разработанная исследователями модель частиц SIDM предсказывала, что гравитационные волны будут слабее или менее интенсивными на низких частотах. Это предсказание соответствовало тому, что наблюдалось в реальных данных.
|
|
|
|
Они также показали, что SIDM с поперечным сечением, зависящим от скорости, может решить конечную проблему с парсеками и пережить процесс слияния.
|
|
|
|
Говоря о влиянии их работы, доктор Альварес сказал: "Мы обнаружили, что эволюция орбиты черной дыры очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это означает, что мы можем использовать излучение гравитационных волн двойных систем SMBH для ограничения моделей темной материи. Это открывает новые возможности для изучения природы темной материи в самых отдаленных областях галактик, которые ранее были недоступны наблюдениям".
|
|
|
|
Команда также совершенствует свою модель и разрабатывает численное моделирование, чтобы подтвердить результаты, приведенные в этой статье. Это моделирование позволит лучше понять, как профили темной материи реагируют на энергию, выделяемую при слиянии черных дыр.
|
|
|
|
Источник
|
