Недавно исследователи обнаружили удивительную связь между одними из самых больших и самых маленьких объектов во Вселенной: сверхмассивными черными дырами (СМЧД) и частицами темной материи. Это открытие может решить загадку «проблемы последнего парсека», которая является основным препятствием для понимания слияния сверхмассивных черных дыр.
Проблема последнего парсека и темная материя
Сверхмассивные черные дыры, чья масса может в миллиарды раз превышать массу Солнца, обычно находятся в центре галактик. Когда галактики сталкиваются, их соответствующие черные дыры вращаются по орбите и постепенно приближаются друг к другу, пока не сольются. Однако теоретическое моделирование показало, что это сближение прекращается, когда две черные дыры достигают расстояния около одного парсека (около трех световых лет).
В деталях предыдущие модели показывали, что когда две огромные черные дыры сближаются, их гравитация начинает выбрасывать окружающие частицы темной материи. Представьте себе два огромных водоворота в воде, которые выталкивают плавающий мусор. Точно так же сверхмассивные черные дыры отталкивают окружающую их темную материю. В результате выброса частиц темной материи вокруг черных дыр образовался вакуум или разрежение.
Этот вакуум представляет собой серьезную проблему. Слияние черных дыр зависит от того, что они теряют энергию, взаимодействуя с окружающей их материей. Когда частицы темной материи выбрасываются, остается недостаточно вещества, чтобы продолжать поглощать энергию черных дыр. В результате они замедляют свое сближение и сходятся на расстоянии около трех световых лет друг от друга.
Это явление, известное как «проблема последнего парсека», не позволило объектам слиться, что противоречит наблюдениям за гравитационными волнами, исходящими из Вселенной. Предполагается, что эти гравитационные волны возникают в результате слияния миллионов пар сверхмассивных черных дыр.
Новая модель
В попытке решить эту проблему группа исследователей под руководством астронома Александра Павлова из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда разработала новую модель, предлагающую другую, более оптимистичную перспективу. В частности, исследователи выдвинули идею о том, что частицы темной материи не просто выбрасываются и рассеиваются без взаимодействия. На самом деле они могут взаимодействовать друг с другом таким образом, чтобы оставаться достаточно плотными вокруг черных дыр.
Чтобы объяснить проще, представьте, что частицы темной материи образуют невидимую сеть, которая, даже будучи нарушенной, реорганизуется и сохраняет определенную плотность. Благодаря этим взаимодействиям частицы темной материи продолжают поглощать энергию от орбитальных сверхмассивных черных дыр, что помогает им продолжать двигаться навстречу друг другу.
Это новое понимание меняет все. Если частицы темной материи действительно могут взаимодействовать друг с другом и поддерживать достаточную плотность, то сверхмассивные черные дыры могут продолжать терять энергию и в конце концов слиться. Это объясняет, почему мы наблюдаем гравитационные волны от таких слияний во Вселенной.
Это исследование не ограничивается пониманием «проблемы последнего парсека»; оно также открывает окно в природу самой темной материи. Исследователи обнаружили, что эволюция орбит черных дыр очень чувствительна к микрофизике темной материи, а это значит, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных черных дыр, чтобы лучше понять эти частицы.
