Новое исследование предлагает потенциальное решение одной из самых загадочных тайн космологии: как сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной смогли так быстро набрать огромную массу. Учёные представили новую физическую модель, объясняющую, как зародыши сверхмассивных чёрных дыр могли сформироваться в результате коллапса тёмной материи.

Тёмная материя, загадочный ингредиент Вселенной, который фактически невидим и взаимодействует с другой материей только через гравитацию, обеспечивает структурную основу для формирования галактик. Несмотря на свою критически важную роль, её природа остаётся одной из величайших загадок астрофизики. Стандартная космологическая модель предполагает, что тёмная материя взаимодействует исключительно через гравитацию, но эта концепция не может объяснить существование сверхмассивных чёрных дыр уже через 800 миллионов лет после Большого взрыва.

Источник: NASA, ESA, CSA, STScI, D. Kocevski (Colby College)

Наблюдения с помощью таких телескопов, как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), выявили квазары — чрезвычайно яркие объекты, питаемые сверхмассивными чёрными дырами — в эти ранние эпохи, они обладают массами более чем в миллиард раз превышающими массу Солнца. Традиционные модели, основанные на аккреции газа и слияниях с другими чёрными дырами и галактиками, не могут объяснить, как эти чёрные дыры могли стать такими массивными за столь короткое время.

Для решения этих проблем команда исследователей предложила подкомпонент тёмной материи, названный «ультра-самовзаимодействующей тёмной материей». В отличие от стандартной тёмной материи, этот компонент — который составлял бы менее 10% от общего количества тёмной материи в ранней Вселенной — проявлял бы сильные самовзаимодействия. Это свойство позволило бы частицам ультра-самовзаимодействующей тёмной материи скапливаться вместе в центрах галактических гало.

«Самовзаимодействие тёмной материи является необходимым компонентом, поскольку частицам тёмной материи нужен способ рассеиваться друг от друга, гораздо сильнее, чем просто гравитационные взаимодействия. Это рассеяние заставляет тёмную материю скапливаться в самых внутренних центральных областях галактики, что позволяет ей коллапсировать в зародыши сверхмассивных чёрных дыр», — пояснил соавтор исследования Грант Робертс из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

Эти сильные самовзаимодействия привели бы частицы ультра-самовзаимодействующей тёмной материи к центрам галактик, где они образовывали бы плотные ядра, которые в конечном итоге коллапсировали бы в чёрные дыры. Если этот процесс происходил на ранних этапах эволюции галактики, то он мог породить сверхмассивные чёрные дыры, позволяя им расти через обычные процессы аккреции газа. Важно, что новая модель обходит медленные временные масштабы традиционных механизмов формирования сверхмассивных чёрных дыр, позволяя быстрый рост, оставаясь при этом согласованной с другими астрофизическими наблюдениями.

Для проверки своей модели исследователи проанализировали выборку из трёх квазаров с хорошо измеренными массами и возрастами. Эти объекты, наблюдаемые JWST и другими телескопами, служат ориентирами для калибровки модели ультра-самовзаимодействующей тёмной материи.

Команда обнаружила, что их модель успешно воспроизводит наблюдаемые параметры квазаров даже при различных предположениях о зависимости силы самовзаимодействия тёмной материи от скорости. «То, что делает нашу модель более предпочтительной, это то, что мы можем напрямую калибровать, насколько сильным является самовзаимодействие, а также насколько малой должна быть эта фракция, исходя из возраста и массы наблюдаемых сверхмассивных чёрных дыр», — пояснил Робертс.

Одним из самых захватывающих аспектов модели ультра-самовзаимодействующей тёмной материи являются её проверяемые предсказания. Гипотеза предполагает существование чёрных дыр промежуточной массы в карликовых галактиках — меньших и менее массивных галактиках, чем наша. Наблюдение таких чёрных дыр и их распределения могло бы предоставить прямые доказательства в пользу модели.

«Если телескопы посмотрят на эти карликовые галактики и измерят массу этих чёрных дыр, мы сможем напрямую сравнить их с тем, что предсказывает наша модель», — отметил Робертс. Модель также прогнозирует количество и размеры этих чёрных дыр, что может быть перекрёстно проверено с будущими наблюдательными данными.

Исследование подчёркивает потенциал для дальнейших открытий с помощью JWST, который продолжает обнаруживать новые сверхмассивные чёрные дыры на всё больших расстояниях. Эти открытия могут наложить более жёсткие ограничения на временные масштабы формирования сверхмассивных чёрных дыр и уточнить параметры модели ультра-самовзаимодействующей тёмной материи.

«С появлением ещё более древних сверхмассивных чёрных дыр, обнаруживаемых JWST, мы сможем наложить дальнейшие ограничения на параметры нашей модели. По мере того как JWST находит больше таких чёрных дыр, мы хотели бы увидеть, как наши новые модели влияют на то, что мы предсказываем для масс и распространённости чёрных дыр промежуточной массы во Вселенной», — отметил Робертс.

Это исследование открывает новые горизонты в понимании ранней Вселенной и формирования сверхмассивных чёрных дыр. Оно не только предлагает элегантное решение давней космологической загадки, но и предоставляет проверяемые предсказания, которые могут быть подтверждены или опровергнуты будущими наблюдениями. По мере того как учёные продолжают исследовать эту новую модель и собирать дополнительные данные, можно ожидать ещё более глубокого понимания природы тёмной материи и её роли в формировании крупномасштабных структур Вселенной. Это исследование может стать ключевым шагом на пути к разгадке одной из самых интригующих загадок современной космологии.

Подробнее на iXBT