Теоретичні частинки темної матерії можуть пояснити, як надмасивні чорні діри (НМЧД) в центрі галактик зливаються. Ця ідея також може пояснити деякі незрозумілі риси поведінки темної матерії у набагато більших масштабах.
НМЧД є ключем до розуміння багатьох важливих особливостей Всесвіту, від світла надзвичайно далеких квазарів до способу розподілу елементів у галактиці. Однак ми досі не розуміємо деяких їхніх найважливіших поведінкових аспектів, включаючи те, як вони зливаються. Так звана “проблема останньої парсеки” полягає в тому, що моделі злиття галактик вказують на те, що злиття надмасивних чорних дір у їхніх ядрах не повинно бути рідкісним явищем. Згідно з моделями, вони повинні наближатися один до одного на відстань у кілька світлових років, але перетинати цю останню прогалину дуже повільно.
Хоча ми бачимо деякі приклади НМЧД, які обертаються один навколо одного, є також багато випадків злитих галактик з однією НМЧД. Крім того, якщо НМЧД майже ніколи не зливаються, важко пояснити, як деякі з них стали такими величезними. Є також докази, хоча й не остаточні, про фонові гравітаційні хвилі, що утворюються внаслідок таких злиттів, які впливають на час імпульсів пульсарів. Здається, що багато з них все ж таки знаходять спосіб подолати останню парсеку (3,26 світлових роки). Нова стаття пропонує, що ключем до цього є частинки темної матерії.
НМЧД не відштовхують одна одну, як частинки з однаковим зарядом, тому одним із способів їх злиття є лобові зіткнення. Однак це занадто рідкісне явище, щоб пояснити спостережуваний розподіл. Частіше вони потрапляють у взаємну орбіту, як це іноді роблять їхні менші аналоги, зоряні чорні діри. В обох випадках відстань повільно зменшується, оскільки гравітаційні хвилі відбирають частину енергії.
Однак НМЧД настільки величезні, що їхні орбіти містять колосальні кількості енергії. Для швидкого розсіювання цієї енергії потрібне її передавання навколишній матерії, процес, відомий як динамічне тертя. Спочатку динамічне тертя працює добре, але матерія, що отримує передану енергію, швидко залишає область, що є неминучим наслідком кінетичного приросту енергії. Як тільки НМЧД очищають своє оточення від матерії, динамічне тертя припиняється. Якщо гравітаційні хвилі стають єдиним методом розсіювання енергії, швидкість зближення сповільнюється до такого ступеня, що злиття мають відбуватися довше, ніж вік Всесвіту.
Тому фізики вважають, що має бути якийсь інший процес розсіювання енергії, але його природа залишається загадкою. Команда на чолі з доктором Гонсало Алонсо-Альваресом з Університету Торонто вважає, що вони знайшли рішення.
“Ми показуємо, що включення раніше проігнорованого ефекту темної матерії може допомогти надмасивним чорним дірам подолати цю останню парсеку розділення і злиття,” – сказав Алонсо-Альварес у заяві. “Наші розрахунки пояснюють, як це може відбутися, на відміну від того, що раніше вважалося.”
Оскільки ми не знаємо, що таке темна матерія, ми не можемо бути впевнені, як її частинки поводитимуться, особливо в таких екстремальних умовах. Попередні моделі припускали, що будь-яка темна матерія поблизу НМЧД також буде прискорена, так що до моменту, коли НМЧД будуть на відстані близько парсека одна від одної, залишиться недостатньо темної матерії для подальшого розпаду орбіти.
Однак Алонсо-Альварес та співавтори розглянули альтернативу, що взаємодії між частинками темної матерії перешкоджають їх розсіюванню. “Можливість того, що частинки темної матерії взаємодіють одна з одною, є припущенням, яке ми зробили, додатковим інгредієнтом, якого не мають усі моделі темної матерії,” – сказав Алонсо-Альварес. “Наш аргумент полягає в тому, що лише моделі з цим інгредієнтом можуть вирішити проблему останньої парсеки.”
Без виявлення таких частинок та спостереження їх взаємодії команда не може бути впевнена у своїй правоті, але є більш практичні тести, які можуть підвищити впевненість. Зокрема, якщо вони праві, низькочастотний кінець гравітаційних хвиль, що утворюються НМЧД, повинен показати специфічний сигнал. “Нинішні дані вже натякають на цю поведінку, і нові дані можуть підтвердити це протягом найближчих кількох років,” – сказав співавтор професор Джеймс Клайн з Університету Макгілла.
Частинки темної матерії не можуть взаємодіяти, якщо їх не існує. Більшість фізиків упевнені, що вони існують, але наша нездатність знайти ці частинки в останні роки призвела до того, що меншина, яка сумнівається у цій ідеї, стала більш голосною. Якщо гравітаційні хвилі від НМЧД покажуть очікуваний авторами патерн, це зніме будь-які сумніви щодо існування темної матерії, навіть якщо ми ще не зможемо ідентифікувати самі частинки.
Таке підтвердження також розширило б наші знання про темну матерію, з більш широкими наслідками. “Наша робота – це новий спосіб допомогти нам зрозуміти частинкову природу темної матерії,” – сказав Алонсо-Альварес. Такі взаємодії вплинули б на форму гало темної матерії навколо галактик, наближаючи моделі до того, як галактики спостерігаються в скупченнях. “Це було несподівано,” – сказав Алонсо-Альварес, “оскільки фізичні масштаби, на яких відбуваються ці процеси, відрізняються на три чи більше порядків величини. Це захоплює.”
