Науковці намагаються розгадати загадку того, як на початку існування нашого Всесвіту, ще до появи зір, могли утворитися надмасивні чорні діри. Вони припустили, що у цьому могла допомогти темна матерія.
Як утворилися перші надмасивні чорні діри?
Надмасивні чорні діри, подібні до тієї, що розташована в центрі Чумацького Шляху, формуються дуже довго. Зазвичай для народження чорної діри потрібна гігантська зоря масою щонайменше у 50 разів більшою, ніж у нашого Сонця, яка вигоряє. Цей процес може тривати мільярд років — і її ядро стискається саме в собі.
Навіть у цьому випадку, маючи лише близько 10 мас Сонця, чорна діра, що утворюється, далека від чорної діри масою 4 млн сонячних, Стрільця А*, що розташована в нашій Галактиці, або від надмасивних чорних дір масою в мільярд сонячних, знайдених в інших галактиках. Такі гігантські чорні діри можуть утворюватися з менших чорних дір шляхом акреції газу і зір, а також шляхом злиття з іншими чорними дірами, що займає мільярди років.
Чому ж тоді космічний телескоп James Webb відкриває надмасивні чорні діри на самому початку часу, за еони до того, як вони мали б утворитися? Астрофізики Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі мають відповідь, таку ж загадкову, як і самі чорні діри: темна матерія утримувала водень від охолодження досить довго, щоб гравітація змогла сконденсувати його в хмари, достатньо великі й щільні, щоб перетворитися на чорні діри замість зір. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Утворення через велику газову хмару
Деякі астрофізики припускають, що велика хмара газу може колапсувати й утворити надмасивну чорну діру безпосередньо, оминаючи довгу історію горіння, акреції та злиття світил. Але тут є заковика: гравітація справді притягує велику хмару газу, але не в одну велику хмару. Замість цього вона збирає частини газу в маленькі ореоли, які плавають один біля одного, але не утворюють чорну діру.
Причина в тому, що газова хмара охолоджується надто швидко. Поки газ гарячий, його тиск може протидіяти гравітації. Однак, якщо газ охолоджується, тиск зменшується, і гравітація може переважати в багатьох маленьких областях, які колапсують у щільні об’єкти до того, як вона встигне затягнути всю хмару в єдину чорну діру.
«Швидкість охолодження газу значною мірою залежить від кількості молекулярного водню, — говорить перший автор і докторант Іфань Лу. — Атоми водню, пов’язані між собою в молекулі, розсіюють енергію, коли вони стикаються з вільним атомом водню. Молекули водню стають охолоджувальними агентами, оскільки вони поглинають теплову енергію і випромінюють її. Водневі хмари в ранньому Всесвіті містили занадто багато молекулярного водню, тому газ швидко охолоджувався й утворював маленькі гало замість великих хмар».
Лу та дослідник Закарі Пікер написали код для розрахунку всіх можливих процесів цього сценарію і виявили, що додаткове випромінювання може нагрівати газ і дисоціювати молекули водню, змінюючи швидкість охолодження газу. Якщо додати випромінювання в певному енергетичному діапазоні, воно руйнує молекулярний водень і створює умови, які запобігають фрагментації великих хмар.
Звідки береться випромінювання?
Лише крихітна частинка матерії у Всесвіті — це та, з якої складаються наші тіла, наша планета, зорі й усе інше, що ми можемо спостерігати. Переважна більшість матерії, яку можна виявити завдяки її гравітаційному впливу на зоряні об’єкти та викривленню світлових променів від віддалених джерел, складається з якихось нових частинок, які вчені ще не ідентифікували.
Отже, форми та властивості темної матерії залишаються загадкою, яку ще належить розгадати. Хоча ми не знаємо, що таке темна матерія, теоретики елементарних частинок вже давно припускають, що вона може містити нестабільні частинки, які можуть розпадатися на фотони, частинки світла. Включення такої темної матерії в симуляції забезпечило випромінювання, необхідне для того, щоб газ залишався у великій хмарі під час колапсу в чорну діру.
Темна матерія може складатися з частинок, які повільно розпадаються, або ж вона може складатися з кількох видів частинок: стабільних і таких, що розпадаються на ранніх стадіях. У будь-якому разі продуктом розпаду може бути випромінювання у вигляді фотонів, які розщеплюють молекулярний водень і запобігають надто швидкому охолодженню водневих хмар. Навіть дуже слабкий розпад темної матерії давав достатньо випромінювання, щоб запобігти охолодженню, формуючи великі хмари і, зрештою, надмасивні чорні діри.
«Це може бути поясненням того, чому надмасивні чорні діри виявляються дуже рано, — каже Пікер. — Якщо ви налаштовані оптимістично, ви також можете розглядати це як позитивний доказ існування одного з видів темної матерії. Якщо ці надмасивні чорні діри утворилися внаслідок колапсу газової хмари, то, можливо, додаткове випромінювання мало б походити з невідомої фізики темного сектора».
За матеріалами phys.org
