Частици тъмна материя помагат на свръхмасивните черни дупки да се слеят

Ваня Милева Последна промяна на 23 юли 2024 в 08:22 3396 0

Симулация на светлината, излъчвана от двойна система със свръхмасивна черна дупка, при която околният газ е оптически тънък (прозрачен). Гледа се от 0 градуса наклон или директно над равнината на диска. Излъчваната светлина представлява всички дължини на

Кредит Goddard Space Flight Center на НАСА/Scott Noble; данни от симулация, d'Ascoli et al. 2018
Симулация на светлината, излъчвана от двойна система със свръхмасивна черна дупка, при която околният газ е оптически тънък (прозрачен). Гледа се от 0 градуса наклон или директно над равнината на диска. Излъчваната светлина представлява всички дължини на вълните. Кредит:

Астрофизици разкриват връзката между свръхмасивните черни дупки и тъмната материя при решаването на "проблема с последния парсек".

Изследователи са открили връзка между някои от най-големите и най-малките обекти в космоса: свръхмасивните черни дупки и частиците тъмна материя.

Новите им изчисления разкриват, че двойки свръхмасивни черни дупки могат да се слеят в една по-голяма черна дупка поради пренебрегваното досега поведение на частиците тъмна материя, предлагайки решение на дългогодишния "проблем на финалния парсек" в астрономията.

Изследването е описано в статия, публикувана този месец в списание Physical Review Letters.

Проблемът на финалния парсек

Въпросът дали две свръхмасивни черни дупки някога ще се сблъскат, все още не е предрешен.

Всъщност, има теорично основание да се предполага, че черните дупки ще се приближават еднa към друга, докато стигнат междинно разстояние от около 1 парсек (което е 3,2 светлинни години) и тогава ще се забавят и доста странно ще стоят отдалечени една от друга, формирайки близка двойна система.

Това се нарича проблем на финалния парсек и малко свръхмасивни черни дупки всъщност ще достигнат "сливане" заради това странно явление.

Обяснението изглежда просто - черните дупки предават енергията си на газовете и звездите между тях, което води до изхвърляне на материя с висока скорост в процеса на гравитационната маневра и загуба на енергия. Обаче обемът на пространството, в който се осъществява този процес, се компресира, докато орбитата на дупките намалява и в този момент, когато разстоянието между черните дупки е около 1 парсек, между тях има толкова малко материя, че ще са необходими милиарди години (повече от възрастта на Вселената), за да се приближат достатъчно близо, за да се слеят.

Гравитационните вълни също могат да допринесат за загубата на енергия, но само когато орбитата на двойката черни дупки се свие до 0,01-0,001 парсека.

Въпреки това все пак свръхмасивните черни дупки претърпяват сливания.

През 2023 г. астрофизиците обявиха откриването на "бръмченето" на гравитационни вълни, проникващи във Вселената. Те изказаха хипотезата, че този фонов сигнал се излъчва от милиони сливащи се двойки свръхмасивни черни дупки, всяка от които е милиарди пъти по-масивна от нашето Слънце.

Теоретичните симулации обаче показват, че когато двойките от тези гигантски небесни обекти се приближават спираловидно един към друг, приближаването им спира, когато се намират на разстояние от около един парсек - разстояние от около три светлинни години, което предотвратява сливането.

Този "проблем на финалния парсек" не само противоречи на теорията, че сливащите се свръхмасивни черни дупки са източникът на фона на гравитационните вълни, но и на теорията, според която свръхмасивните черни дупки растат от сливането на по-малко масивни черни дупки.

"Показваме, че включването на пренебрегвания досега ефект на тъмната материя може да помогне на свръхмасивните черни дупки да преодолеят този последен парсек разделение и да се слеят", обяснява съавторът на статията Гонсало Алонсо-Алварес (Gonzalo Alonso-Álvarez), постдокторант в Катедрата по физика в Университета в Торонто и Катедрата по физика и Космическия институт " Тротие" в Университета Макгил. "Нашите изчисления обясняват как това може да се случи, за разлика от това, което се смяташе досега."

Сред съавторите на статията са професор Джеймс Клайн (James Cline) от Университета Макгил и Департамента по теоретична физика на ЦЕРН в Швейцария, както и Кейтлин Дюар (Caitlyn Dewar), магистър по физика в Университета Макгил.

Смята се, че свръхмасивните черни дупки се намират в центровете на повечето галактики и когато две галактики се сблъскат, свръхмасивните черни дупки попадат в орбита една около друга. Докато се въртят една около друга, гравитационното привличане на близките звезди ги придърпва и ги забавя. В резултат на това свръхмасивните черни дупки се насочват по спирала навътре към сливане.

Предишни модели на сливане показват, че когато свръхмасивните черни дупки се приближат на около един парсек, те започват да взаимодействат с облака от тъмна материя или ореола, в който са вградени. Те посочват, че гравитацията на спираловидно въртящите се една около друга свръхмасивни черни дупки изхвърля частици тъмна материя извън системата и получената рядкост на тъмната материя означава, че енергията не се извлича от двойката и техните взаимни орбити вече не се свиват.

Докато тези модели отхвърляха влиянието на тъмната материя върху орбитите на свръхмасивните черни дупки, новият модел на Алонсо-Алварес и колегите му разкрива, че частиците тъмна материя взаимодействат помежду си по такъв начин, че не се разсейват. Плътността на ореола от тъмна материя остава достатъчно висока, така че взаимодействията между частиците и свръхмасивните черни дупки продължават да нарушават орбитите на свръхмасивните черни дупки, разчиствайки пътя към сливане.

"Възможността частиците на тъмната материя да взаимодействат помежду си е предположение, което направихме, допълнителна съставка, която не всички модели на тъмната материя съдържат", заявява Алонсо-Алварес. "Нашият аргумент е, че само модели с тази съставка могат да решат проблема с последния парсек."

Фоновият тътен, генериран от тези колосални космически сблъсъци, се състои от гравитационни вълни с много по-голяма дължина на вълната от тези, които за първи път бяха засечени през 2015 г. от астрофизиците, работещи с Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO). Тези гравитационни вълни са породени от сливането на две черни дупки, чиято маса е около 30 пъти по-голяма от тази на Слънцето.

Фоновият шум е засечен през последните години от учените, работещи с масива за измерване на времето на пулсарите. Масивът разкрива гравитационни вълни, измервайки миниатюрни вариации в сигналите от пулсари - бързо въртящи се неутронни звезди, които излъчват силни радиоимпулси.

"Предсказанието на нашето предложение е, че спектърът на гравитационните вълни, наблюдавани от масивите за измерване на времето на пулсарите, трябва да бъде смекчен при ниски честоти", обяснява Клайн. "Настоящите данни вече загатват за това поведение, а новите данни може да успеят да го потвърдят през следващите няколко години."

Освен че дава представа за сливанията на SBMH и фоновия сигнал на гравитационните вълни, новият резултат също така дава възможност за поглед към природата на тъмната материя.

"Нашата работа е нов начин да разберем природата на частиците на тъмната материя", посочва Алонсо-Алварес. "Установихме, че еволюцията на орбитите на черните дупки е много чувствителна към микрофизиката на тъмната материя и това означава, че можем да използваме наблюденията на сливанията на свръхмасивните черни дупки, за да разберем по-добре тези частици."

Изследователите например откриват, че моделираните от тях взаимодействия между частиците тъмна материя обясняват и формите на галактическите халета от тъмна материя.

"Открихме, че проблемът с финалния парсек може да бъде решен само ако частиците на тъмната материя взаимодействат със скорост, която може да промени разпределението на тъмната материя в галактически мащаби", заявява Алонсо-Алварес. "Това беше неочаквано, тъй като физическите мащаби, в които протичат процесите, се различават на три или повече порядъка. Това е много интересно."

Справка: Gonzalo Alonso-Álvarez et al, Self-Interacting Dark Matter Solves the Final Parsec Problem of Supermassive Black Hole Mergers, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.021401

Източник: Astrophysicists uncover supermassive black hole/dark matter connection in solving the 'final parsec problem, University of Toronto

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Космос

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !