Три физика из Брукхейвенской национальной лаборатории в США разработали модель, объясняющую образование сверхмассивных черных дыр и природу темной материи.
В статье, опубликованной научным журналом Physical Review Letters, три физика-теоретика описывают космологический фазовый переход, который способствовал образованию сверхмассивных черных дыр в темном секторе Вселенной.
Космологический фазовый переход сродни процессу кипения. Когда вода достигает температуры кипения, она переходит в другое свое фазовое состояние – пар. Когда пар остывает, он превращается в капли воды – первоначальное фазовое состояние воды.
«До того, как галактики существовали, Вселенная была горячей и плотной, и это хорошо установлено. Как Вселенная остыла до такого состояния, которое мы наблюдаем сегодня, неизвестно, потому что у нас нет экспериментальных данных, описывающих, как это произошло, – говорит Питер Дентон, один из авторов исследования. – Мы можем предположить, что произошло с известными частицами, потому что они часто взаимодействуют. Но что, если есть еще неизвестные частицы, которые действуют по-другому?»
Чтобы исследовать этот вопрос, команда из Брукхейвена разработала модель темной материи Вселенной, где изобилуют и взаимодействуют еще не обнаруженные частицы. Среди этих частиц могла быть сверхлегкая темная материя, которая, по прогнозам, на 28 порядков легче протона. Темная материя никогда не наблюдалась напрямую, но физики на основе ее гравитационных эффектов считают, что она составляет большую часть материи Вселенной.
«Частота взаимодействий между известными частицами предполагает, что материя, как мы ее знаем, не очень эффективно сжималась бы в черные дыры, – утверждает Дентон. – Но если бы существовала область со сверхлегкой темной материей, ранняя Вселенная могла бы иметь правильные условия для очень эффективной формы катастрофического сжатия до состояния черной дыры».
Недавние наблюдения показали, что сверхмассивные черные дыры образовались в ранней Вселенной гораздо раньше, чем думали физики. Физики знают, что черные дыры приобретают массу в основном двумя способами. Первый – когда материя в виде космической пыли попадает в черные дыры. Второй – путем слияния двух черных дыр. Физикам осталось ответить на вопрос, каким образом старые сверхмассивные черные дыры приобрели свою массу в ранней Вселенной так быстро. Недостающей частью ответа на этот вопрос могут быть частицы темной материи.
«Мы предположили, что частицы темной материи могут подвергаться фазовому переходу, который позволяет материи очень эффективно сжиматься в черные дыры, – объясняет Дентон. – Когда температура Вселенной для этого подходит, давление может внезапно упасть до очень низкого уровня, позволяя гравитации взять верх и дать материи разрушиться. Наше понимание известных частиц указывает на то, что этот процесс обычно не происходит. Эти коллапсы излучают гравитационные волны, которые имеют характерную форму, поэтому мы можем сделать прогноз для этого сигнала и его ожидаемого частотного диапазона».
Текущие эксперименты с гравитационными волнами недостаточно чувствительны, чтобы подтвердить теорию, но эксперименты следующего поколения могут обнаружить сигналы этих волн. И, основываясь на характерной форме волн, физики могли бы уточнить детали образования сверхмассивных черных дыр.
Больше актуальной информации о обо всем, что происходит, на нашем круглосуточном тг-канале OpenDubna https://t.me/opendubna. Подписывайтесь!