Загадка сверхмассивных черных дыр ранней Вселенной: ответ стоит искать в темной материи

Обычно для рождения сверхмассивной черной дыры требуется гигантская звезда массой по меньшей мере 50 масс Солнца, которая должна успеть полностью выгореть. Этот процесс занимает миллиарды лет. А новорожденной черной дыре тоже понадобится время, чтобы набрать вес от примерно десяти масс Солнца до четырех миллионов, как у черной дыры Стрелец А* в центре Млечного Пути.

Цифровой прорыв: как искусственный интеллект меняет медийную рекламу

Тем не менее космическая обсерватория имени Джеймса Уэбба обнаружила сверхмассивные черные дыры, появившиеся вскоре после рождения Вселенной. Астрофизики Калифорнийского университета предложили объяснение этому противоречию: темная материя не давала водороду охладиться достаточно долго, чтобы гравитация смогла сконденсировать облако газа, достаточно большое и плотное, чтобы смогла образоваться черная дыра, а не звезды.

Другие астрономы выдвигали предположение, что крупное облако газа могло коллапсировать и создать сверхмассивную черную дыру напрямую, в обход долгого процесса сгорания звезды и поглощения вещества из аккреционного диска. Но есть одно «но»: гравитация действительно может собрать молекулы газа, но не в одно большое облако, а в небольшие гало, из которых черная дыра не сформируется.

Причина в том, что газовое облако слишком быстро охлаждается, пишет Science Daily. Пока газ горячий, его давление может сопротивляться силе тяжести. Но по мере охлаждения давление падает, и гравитация в отдельных регионах побеждает. Облако распадается на множество плотных объектов прежде, чем у него появляется шанс стать черной дырой.

Написав программный код, ученые смоделировали все возможные исходы этого сценария и выяснили, что дополнительное излучение могло бы нагреть газ и разобщить молекулы водорода, изменив процесс охлаждения. В результате возникают условия, предотвращающие фрагментацию больших газовых облаков. Но откуда могло взяться излучение? Из темной материи, отвечают исследователи.

Темная материя может быть частицами, которые распадаются медленно, или из нескольких видов частиц с разной стабильностью. В любом случае, продуктом распада становится излучение в форме фотонов, которые мешают облакам водорода слишком быстро охлаждаться. Даже очень слабый распад темной материи производит достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение и способствовать появлению сверхмассивных черных дыр.

Компьютерное моделирование, проведенное астрофизиками из Японии, позволило выдвинуть гипотезу происхождения сверхмассивных черных дыр. Согласно ей, эти небесные объекты растут, поглощая не только межзвездный газ, но и звезды поменьше. Это предположение позволяет объяснить то количество сверхмассивных черных дыр, какое ученые наблюдают сегодня.

 

Хайтек+