Слияние черных дыр объяснили взаимодействием темной материи самой с собой

В новом исследовании предлодили решение давней загадки о том, как образуются самые тяжеловесные объекты во Вселенной — сверхмассивные черные дыры. В 2023 году астрофизики обнаружили фоновый шум — гул наногерцевых гравитационных волн приходящих со всех направлений, заполняющий космос. И предположили, что этот сигнал исходит от миллионов сливающихся пар черных дыр, каждая из которых в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
 
Однако, теоретические модели показали, что по мере того, как эти гигантские космические объекты сближаются по спирали, их движение останавливается на расстоянии около одного парсека друг от друга. То есть дистанция в чуть более 3 световых лет препятствует слиянию. Этот феномен получил название «проблема последнего парсека».
 
Проблема не только в противоречии теории о том, что сливающиеся черные дыры являются источником гравитационного фона, но и в расхождении с теорией, согласно которой сверхмассивные черные дыры растут за счет слияния менее массивных черных дыр. 

В текущих представлениях черные дыры при сближении тормозятся, теряя импульс за счет испускания гравитационных волн. Проблема в том, что потери эти недостаточны, чтобы обеспечить такую потерю черными дырами скорости, которая привела бы к их достаточному для слияния сближению. Это и называют проблемой последнего парсека (3,26 световых лет).

Темная материя — это невидимая материя, составляющая около 95 процентов материи во Вселенной. Мы не можем ее увидеть напрямую, но ее гравитационное влияние на видимую материю неоспоримо.
 
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предложило решение этой загадки. До сих пор предполагалось, что частицы темной материи между собой никак не взаимодействуют (кроме как гравитационно). Авторы показали, что если такие негравитационные взаимодействия частиц темной материи между собой допустить (с теоретической точки зрения), то это поможет сверхмассивным черным дырам преодолеть этот последний парсек разделения и слиться. 
 
Согласно такой модели само внутреннее взаимодействие темной материи частиц темной материи не дает им разлетаться из окрестностей пары сливающихся черных дыр. Поэтому так называемое динамическое трение (гравитационной природы) между частицами темной материи и сверхмассивными черными дырами должно длиться дольше и работать эффективнее, чем считалось ранее. Если ранее предполагалось, что частицы темной материи, давшие небольшое динамическое торможение черной дыре, затем быстро улетают из ее окрестностей за счет получения дополнительного импульса от черной дыры, то в новой модели быстрый вынос темной материи из окрестностей черной дыры не происхолдит. Это позволяет гравитации между черными дырами и темной материей продолжать действовать, уменьшая импульс ЧД и позволяя их парам продолжать сближаться вплоть до слияния. Открытие также объясняет происхождение фона наногерцевых гравитационных волн.
 
Астрофизики также предсказали, что спектр гравитационных волн, наблюдаемый с помощью пульсарных временных наблюдений (метода обнаружения гравитационных волн по пульсарам), должен быть смягчен на низких частотах. Это согласуется с уже существующими данными, и новые наблюдения могут подтвердить это в ближайшие годы.

Кроме решения проблемы последнего парсека, такой подход становится инструментов в изучении свойств самой темной материи. Поскольку движение сверхмассивных черных дыр чувствительно к свойствам темной материи, наблюдения за их слиянием поможет лучше понять природу этих загадочных частиц.

Так исследователи уже обнаружили, что смоделированное ими взаимодействие между частицами темной материи также объясняет форму галактического гало (сферического образования, в которые погружена каждая галактика, состоящее в основном из темной материи).
 
Таким образом, новая модель не только решает проблему последнего парсека, объясняя природу возникновения сверхмассивных черных дыр, но и проливает свет на темную материю, — самое загадочное явление в современной Вселенной. Проблемой новой гипотезы остается то, что если частицы темной материи как-то взаимодействуют между собой, то это должно проявляться в целом ряде вопросов. Но пока отчетливых признаков такого взаимодействия астрофизикам найти не удалось.

Как уже писал Naked Science, есть и другая точка зрения на наногерцовые гравитационные волны. В 2021 году физик Николая Горькавый спрогнозировал, что Вселенная должна быть пронизана реликтовыми наногерцовыми гравитационными волнами. Но порождены они не слиянием обычных черных дыр, а слиянием массы особо крупных черных в момент коллапса прошлой Вселенной.