Учёные обнаружили связь между сверхмассивными чёрными дырами и частицами тёмной материи, которая может объяснить давнюю «загадку последнего парсека» в астрономии. Согласно расчётам, пара сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД) может сливаться в одну большую чёрную дыру из-за ранее не учитывающегося поведения частиц тёмной материи. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters в этом месяце.

В 2023 году астрофизики заявили об обнаружении «гула» гравитационных волн, пронизывающих Вселенную, которые, как предполагалось, исходят от миллионов сливающихся пар сверхмассивных чёрных дыр, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. Однако теоретическое моделирование показало, что сближение пар этих гигантов останавливается на расстоянии примерно в одном парсеке (около трёх световых лет), что предотвращает слияние. Эта «загадка последнего парсека» противоречила теории о том, что источником гравитационного волнового фона являются сливающиеся сверхмассивные чёрные дыры, и теории о том, что сверхмассивные чёрные дыры образуются в результате слияния менее массивных чёрных дыр.

Соавтор статьи Гонсало Алонсо-Альварес, научный сотрудник кафедры физики в Университете Торонто и кафедры физики и Космического института Троттье в Университете Макгилла, заявил: «Мы показали, что включение ранее упускаемого из виду эффекта тёмной материи может помочь сверхмассивным чёрным дырам преодолеть этот последний парсек и слиться».

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства галактик, и когда две галактики сталкиваются, сверхмассивные чёрные дыры попадают на орбиты друг друга. Когда они вращаются друг вокруг друга, гравитационное притяжение соседних звёзд замедляет их, в результате чего орбиты сверхмассивных чёрных дыр закручиваются по спирали. Новая модель Алонсо-Альвареса и его коллег показывает, что частицы тёмной материи взаимодействуют друг с другом таким образом, что они не рассеиваются, и плотность гало тёмной материи остаётся достаточно высокой, чтобы взаимодействия между частицами и сверхмассивными чёрными дырами продолжали уменьшать орбиты сверхмассивных чёрных дыр, приводя к слиянию.

Фоновый «гул», создаваемый этими колоссальными слияниями, состоит из гравитационных волн с гораздо большей длиной волны, чем те, которые были впервые обнаружены в 2015 году астрофизиками, работающими с лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией LIGO. Эти гравитационные волны были созданы слиянием двух чёрных дыр, обе из которых примерно в 30 раз больше массы Солнца.

Фоновый «гул» был обнаружен учёными, работающими с Pulsar Timing Array. Массив обнаруживает гравитационные волны, измеряя мельчайшие изменения сигналов от пульсаров, быстро вращающихся нейтронных звёзд, которые испускают сильные радиоимпульсы.

Алонсо-Альварес заявил: «Наша работа — это новый способ помочь понять корпускулярную природу тёмной материи. Мы обнаружили, что эволюция орбит чёрных дыр очень чувствительна к микрофизике тёмной материи, и это означает, что мы можем использовать наблюдения за слияниями сверхмассивных чёрных дыр, чтобы лучше понять эти частицы». 

Далее исследователи обнаружили, что эти взаимодействия между частицами тёмной материи также объясняют формы галактических гало тёмной материи. Они увидели, что «загадка последнего парсека» может быть решена только в том случае, если частицы тёмной материи будут взаимодействовать со скоростью, которая может изменить распределение тёмной материи в галактических масштабах. Это было неожиданно, поскольку физические масштабы, в которых происходят эти процессы, отличаются на три или более порядков. 

Соавтор статьи, профессор Джеймс Кларкен, сказал: «Наше предсказание заключается в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых синхронизирующими массивами пульсаров, должен быть смягчён на низких частотах. Текущие данные уже намекают на такое поведение, и новые данные, возможно, смогут подтвердить это в ближайшие несколько лет».

Исследователи отмечают, что их выводы также предоставляют новые сведения о природе тёмной материи. Например, учёные обнаружили, что смоделированные ими взаимодействия между частицами тёмной материи также объясняют формы галактических гало тёмной материи.

Исследователи предполагают, что взаимодействия между частицами тёмной материи могут играть роль в росте сверхмассивных чёрных дыр и формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Авторы статьи планируют продолжать свою работу в этой области, исследуя последствия своих открытий в характере поведения тёмной материи и формирования сверхмассивных чёрных дыр.