Тъмната материя ще помогне за решаването на "проблема с последния парсек"

Ваня Милева Последна промяна на 27 ноември 2023 в 00:00 9701 0

Галактика, разположена на около 2,5 милиарда светлинни години, има двойка свръхмасивни черни дупки. Ще се слеят ли?

Кредит A.D. Goulding et al./Astrophysical Journal Letters 2019

Галактика, разположена на около 2,5 милиарда светлинни години, има двойка свръхмасивни черни дупки. Ще се слеят ли?

Когато галактиките се сблъскват, техните свръхмасивни черни дупки влизат в гравитационен танц, като постепенно се приближават обикаляйки една около друга все по-близо, докато накрая се слеят. Знае се, че се сливат, защото астрономите са виждали гравитационните чудовища, които възникват в резултат на това, и са открили гравитационните вълни, които излъчват, докато се движат по спирала. Но подробностите за последните стъпки в това шоу остават загадка.

Сега ново проучване на астрономи от Университета в Сеул показва, че част от тази мистерия може да бъде разрешена с малко тъмна материя.

Точно както известната задача с трите тела няма универсално аналитично решение с Нютоновата гравитация, проблемът с две тела няма решение в Общата теория на относителността.

Така че трябва да се прибегне до компютърни симулации, за да се моделира как черните дупки обикалят една около друга и в крайна сметка се сливат. За двойки черни дупки, които са сравнително раздалечени, наличните симулации работят наистина добре, но когато черните дупки са близо една до друга, нещата се усложняват. Уравненията на Айнщайн са много нелинейни и моделирането на динамиката на силно взаимодействащи черни дупки е трудно.

В резултат на това симулациите, с които разполагат астрофизиците, не показват, че черните дупки се сливат. Вместо това те се приближават една към друга спираловидно до разстояние около 1 парсек (това е 3,2 светлинни години), след това се забавят и много странно остават на разстояние една от друга според изчисленията.

Това се нарича "проблемът с финалния парсек".

Изглежда това се причинява от динамичното триене: това триене забавя черните дупки достатъчно, за да образуват свързана двойна система. По-нататъшното динамично триене отнема от орбиталната енергия от двойката, докато обикалят в рамките на няколко парсека една от друга. Но този процес също така изхвърля материя от орбиталния път и докато орбитите се свиват, обемът на пространството, през което преминават черните дупки, намалява, докато остане толкова малко материя, че да не може да предизвика сливане в рамките на възрастта на Вселената.

Наблюденията обаче показват съвсем различна картина: черните дупки наистина могат да се сблъскат и да се слеят в една по-голяма черна дупка, както звездните черни дупки, така и свръхмасивните черни дупки в ядрата на галактиките.

Гравитационните вълни вече са били откривани десетки пъти с LIGO и Virgo, причинени от сливане на черни дупки, където сливането причинява вълни в пространство-времето.

Очевидно има нещо, което се случва с изчисленията (въз основа на законите на гравитацията на Нютон и Айнщайн), което кара резултатите да се различават от наблюденията.

Една идея за решаване на проблема е да се въведе в сместа тъмна материя. В крайна сметка студената тъмна материя е почти навсякъде според Стандартния космологичен модел, така че вероятно играе роля в сливането на свръхмасивни черни дупки. Но досега изглежда, че студената тъмна материя не е отговорът. Симулациите, които го използват, имат същия проблем с крайния парсек като общата теория на относителността.

Размитата тъмна материя позволява на черните дупки взаимно да се забавят по-бързо. Кредит: Koo, et al

В това ново проучване екипът разглежда вариант на тъмната материя, наречен "размита тъмна материя". Тя е подобна на стандартната студена тъмна материя, но се състои от изключително леки скаларни частици ≈10-²² eV, частици като аксиони (Axion Like Particles, ALPs). Тъй като тези частици няма да взаимодействат помежду си чрез нищо друго освен гравитацията, те няма да се струпват по съвсем същия начин като обикновената тъмна материя и следователно да имат по-„размито“ разпределение.

Смята се, че "обикновената" тъмна материя, като тежките WIMP (weakly interactive massive particles), "слабо взаимодействащи масивни частици", понякога реагира с обикновената материя по други начини в допълнение към гравитацията.

Но размитите тъмни частици наистина могат да направят това само чрез гравитацията, също и помежду си, и затова този тип тъмни частици не се струпват заедно, както биха направили WIMP, а се носят свободно в пространството с един вид "размито", размазано разпределение.

И това е полезно за онези свръхмасивни черни дупки, които се приближават една към друга, защото според изчисленията на Хьонмо Ку (Hyeonmo Koo) и колегите му, размитата тъмна материя гарантира, че орбиталното разпадане на приближаващите черни дупки се ускорява и това влияние е по-голямо, колкото по-тежки са черните дупки. В резултат на това те ще се сближават спираловидно по-бързо.

Проблемът на финалния парсек не е напълно решен, но влиянието на размитата тъмна материя е налице и може да помогне за пълното решаване на проблема. Ще са необходими директни наблюдения на свръхмасивни черни дупки, за да се докаже или отхвърли идеята. За щастие бъдещите наблюдения на NANOGrav или тези на планираната обсерватория за гравитационни вълни LISA трябва да могат да видят такива сливания.

Тогава нашата представа за това как най-големите черни дупки в космоса се сливат няма да е толкова размито.

Справка: Koo, Hyeonmo, et al. “Final parsec problem of black hole mergers and ultralight dark matter.” arXiv preprint arXiv:2311.03412 (2023).

ИзточникDark Matter Could Help Solve the Final Parsec Problem of Black Holes, Universe Today.

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

Няма коментари към тази новина !