В теориях возникновения галактик есть две хорошо известные проблемы, которые ученые давно пытаются решить. Новое исследование помогает найти подход к обеим: ученые предположили, что сверхмассивные черные дыры могут образовываться прямо из темной материи. Физики комментируют эту теорию для Forskning.
Согласно новому исследованию, этим может объясняться, как черные дыры образовались так рано в истории вселенной
Похоже, у большинства галактик в центре имеется черная дыра.
Масса этих монстров в сотни тысяч, а порой и в миллиарды раз больше, чем масса обычной звезды. Они поглощают газ и звезды, которые оказываются слишком близко.
Черные дыры могут возникать, когда большая звезда умирает и схлопывается сама в себя. Но ученые не уверены, откуда брались сверхмассивные гиганты в начале истории Вселенной.
Карлос Р. Аргуэльес (Carlos R. Argüelles) из аргентинского Национального университета Ла-Платы вместе с тремя учеными коллегами внимательно рассмотрел следующее предположение: не могли ли сверхмассивные черные дыры образовываться прямо из темной материи?
Темная материя
Темная материя — это некое вещество во вселенной, о котором мы очень мало знаем и объемы которого мы пока не удалось подсчитать. Вероятно, масса этого невидимого вещества в шесть раз превышает массу видимого вещества вселенной.
Было высказано предположение, что темная материя — это просто-напросто обычные атомы, которые трудно обнаружить. Так же как коричневые карлики и газ. Но большинство физиков полагают, что это особый еще не открытый тип частиц.
Ученые полагают, что темная материя располагается, словно рассеянный пузырь или гало, вокруг галактик, а также простирается гораздо дальше, чем самые крайние звезды.
«В галактике мы видим звезды, но большую часть галактики — а именно, темную материю — мы не видим. Мы называем это явление гало темной материи», — рассказал Forskning Торстен Брингманн (Torsten Bringmann), профессор Университета Осло, как раз изучающий темную материю.
Темная материя создает дополнительную гравитацию, благодаря которой звезды остаются на своих нынешних местах. Также гало темной материи, например, может объяснить, почему Млечный путь вращается быстрее, чем должен.
Облака с плотной сердцевиной
Исследователи, опубликовавшие новое теоретическое исследование, предполагают, что сверхмассивные черные дыры образовались прямо из темной материи в начале существования вселенной.
Ученые обнаружили, что облака или гало темной материи порой имеют плотную сердцевину. И эта сердцевина может становиться настолько плотной, что в какой-то момент вещество схлопывается до состояния сверхмассивной черной дыры.
Ученые предполагают, что в маленьких, карликовых галактиках такая критическая плотность, возможно, не была достигнута. В них сердцевина из темной материи может лишь походить на черную дыру, а внешнее гало объясняет наблюдаемые кривые вращения таких галактик.
«Эта модель показывает, что гало темной материи могут иметь плотные ядра. Не исключено, что они сыграют решающую роль в наших попытках понять, как образовываются сверхмассивные черные дыры», — пишет Карлос Аргуэльес (Carlos R. Argüelles) в сообщении для прессы.
Появились рано
По словам ученых, эта гипотеза может объяснить, как сверхмассивные черные дыры смогли образоваться во Вселенной так рано.
Некоторые огромные черные дыры возникли задолго до того, как Вселенной исполнился миллиард лет. В 2017 году НАСА сообщило, что обнаружило самую древнюю из открытых черную дыру. Всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва этот гигант уже был в 800 миллионов раз массивнее Солнца.
По информации Большого норвежского словаря, есть несколько предположений, относительно того, из чего они могли образоваться. Например, из обычных черных дыр, своего рода «семян», которые притягивали к себе все больше и больше материи и долгое время росли.
Другая гипотеза — что несколько черных дыр из скоплений мертвых звезд просто слились воедино. Также супермассивные черные дыры могли образоваться и прямо из схлопывающихся газовых облаков в начале существования Вселенной.
«Этот новый сценарий их возникновения, вероятно, может дать естественное объяснение того, как сверхмассивные черные дыры появлялись в начале существования Вселенной, без необходимости предполагать, что сначала появились звезды или некие „семена" в виде обычных черных дыр, которые потом нереалистично быстро росли», — объясняет Аргуэльес.
Предполагали и раньше
Торстен Брингманн из Университета Осло изучил новое исследование.
По его словам, ученые не в первый раз предполагают, что темная материя — источник сверхмассивных черных дыр.
«Утверждается, что проведен самый реалистичный анализ их всех существующих на сегодняшний день, — говорит Брингманн. — Ученые описывают распределение частиц темной материи и их движение в начале, то есть когда образуются гало или эти структуры».
В результате у них получились модели гало с большой черной дырой посередине.
Forskning: Есть ли разница между сверхмассивной черной дырой из темной материи и обычной материи?
Торстен Брингманн: Нет. Это один из замечательных выводов общей теории относительности. Черная дыра описывается лишь тремя числами. Масса, скорость вращения и заряд.
На самом деле заряд тоже не особенно важен, потому что, если черная дыра окажется отрицательно заряженной, она тут же притянет к себе положительный заряд.
«Так что на самом деле черную дыру полностью описывают всего два числа. Вы можете бросить в нее целую библиотеку, и вся информация исчезнет, а останутся лишь два числа».
Стерильные нейтрино
Брингманн объясняет, что ученые выбрали довольно обычного кандидата в темную материю под названием стерильные нейтрино.
Нейтрино — это неуловимые «призрачные частицы», которые почти не взаимодействуют с обычной материей. Ученые предположили, что у нейтрино могут быть более тяжелые «братья», которых назвали стерильными нейтрино. На эти гипотетические частицы влияет только гравитация — больше никакие природные силы на них не воздействуют.
Чуть ниже границы
Исследователи предположили, что масса у такой частицы должна быть чуть ниже той границы, за которой ее существование исключили с помощью наблюдений, говорит Брингманн.
То, что в космологии называют стандартной моделью, ΛCDM (Модель Лямбда-CDM), описывает эволюцию вселенной в том числе с помощью темной энергии и «холодной» темной материи. С этой моделью очень многие согласны.
«То, что темная материя холодная, значит лишь, что в начале формирования структуры вселенной у нее нет заслуживающей внимания скорости. Она набирает скорость лишь тогда, когда возникает гравитационный потенциал, и гравитация ее разгоняет», — говорит Брингманн.
Это и устанавливает предел тому, как быстро частицы могут двигаться в самом начале и какую массу могут иметь.
«Если они двигаются слишком быстро, то при моделировании структура не формируется, а это не согласуется с тем, что мы видим в более крупных масштабах», — говорит Брингманн.
Частицы в исследовании настолько быстрые или «горячие», насколько это только возможно в рамках модели.
По словам Брингманна, если бы мы определяли свойства темной материи совершенно наугад, к таком результату мы бы вряд ли пришли.
«Но это вполне возможно».
Одно из множества возможных решений
Брингманн напоминает, что в теориях образования галактик есть две хорошо известные проблемы, которые ученые пытаются решить.
«Мы знаем, что, например, в центре нашей галактики — да и, по большому счету, в центре всех галактик — находятся огромные черные дыры. Они нужны, чтобы понять, как на раннем этапе развития вселенной галактики вообще образовались.
Но одна из проблем заключается в том, что на самом деле никто не знает, откуда взялись эти черные дыры. Когда ученые моделируют образование галактик, они чаще всего просто говорят: „Ну хорошо, давайте просто предположим, что гигантские черные дыры существовали с самого начала"».
И когда после этого запускают симуляцию, все очень похоже на то, что мы наблюдаем в реальности благодаря мощным телескопам.
Вторую проблему называют «проблемой каспов», и она касается распределения темной материи в карликовых галактиках, объясняет Брингманн. Здесь при моделировании получается не совсем то, чего ожидают. В центре карликовых галактик получается слишком много темной материи.
«Примечательно, что в этом новом исследовании обе эти проблемы решаются благодаря одному и тому же описанию. Это невероятно интересно», — говорит Брингманн.
Но есть и другие модели, с помощью которых можно решить эти проблемы. Вероятно, к единому мнению по поводу того, как из них лучшая, не придут.
По информации https://earth-chronicles.ru/news/2021-03-30-149704
Обозрение "Terra & Comp".
