Гигантские дыры в центрах галактик не должны сливаться, но они сливаются. Учёные предполагают, что решением проблемы может быть необычная форма тёмной материи.
В этой симуляции ярко окрашенный газ течёт вокруг пары орбитальных сверхмассивных чёрных дыр.
На протяжении всей космической истории галактики сливаются во всё более крупные структуры. Когда галактики сливаются, сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся в их центрах, в конце концов тоже должны слиться, образовав ещё более гигантскую чёрную дыру.
Однако на протяжении десятилетий астрофизиков мучил один вопрос: как сверхмассивные чёрные дыры могут сблизиться настолько, чтобы начать крутиться вокруг друг друга по спирали и в итоге слиться воедино? Согласно расчётам, когда сближающиеся дыры достигают так называемого финального парсека — расстояния около одного парсека, или 3,26 световых лет, — их продвижение останавливается. По сути, они должны вращаться друг вокруг друга бесконечно долго.
«Считалось, что время движения по спирали может достигать... возраста Вселенной, — говорит Стивен Тейлор, астрофизик из Университета Вандербильта. — Люди были обеспокоены тем, что слияния чёрных дыр может и не произойти».
Однако уже накопились доказательства того, что они на самом деле сливаются. В прошлом году наблюдения за тонкими движениями пульсирующих звёзд, известные как пульсарные хронометры, выявили фоновый гул гравитационных волн во Вселенной — пульсации в ткани пространства-времени. Эти гравитационные волны, скорее всего, исходят от плотно вращающихся сверхмассивных чёрных дыр, находящихся в парсеке друг от друга и близких к слиянию. «Это наше первое доказательство того, что двойные чёрные дыры действительно преодолевают проблему конечного парсека», — говорит Лаура Блеха, астрофизик из Университета Флориды.
Как же им это удаётся?
У астрофизиков есть новое предположение: тёмная материя может отбирать угловой момент у двух чёрных дыр и сталкивать их ближе друг с другом.
Тёмная материя — это термин для обозначения 85% пока не найденной материи во Вселенной. Мы можем наблюдать её гравитационное воздействие на галактики и космические структуры, но на данный момент не можем понять, что она собой представляет. Простейшие гипотетические частицы, из которых может состоять эта невидимая форма материи, не помогут слиянию чёрных дыр. Но этим летом группа физиков из Канады показала, что нечто более сложное, называемое самовзаимодействующей тёмной материей, может это сделать. Эти частицы могут так сильно замедлять чёрные дыры, что они окажутся в парсеке друг от друга. Если это объяснение верно, то оно «покажет, что тёмная материя не так проста, как мы думали», — сказал Гонсало Алонсо-Альварес, физик-теоретик из Университета Торонто и один из авторов работы.
Затем, в сентябре, отдельная группа физиков указала, что другой кандидат на роль тёмной материи, который иногда называют «нечёткой тёмной материей», также может справиться с этой задачей.
На протяжении многих лет предлагались и более прозаические решения этой загадки. На фоне этого множества вариантов — некоторые из которых были обыденными, некоторые экзотическими — учёные придумывают способы сравнить эти возможности.
«На данный момент большая часть сообщества считает само собой разумеющимся, что проблема финального парсека решена, — говорит Шон Маквильямс, астрофизик-теоретик из Университета Западной Вирджинии, изучивший несколько вариантов решения проблемы. — Вопрос лишь в том, какое решение будет наиболее эффективным».
Для танго нужно двое
Маленькие чёрные дыры — объекты звёздного размера, настолько плотные, что их гравитация задерживает всё, что оказывается слишком близко, даже свет, — разбросаны по галактикам. Они образуются в результате гравитационного коллапса отдельных звёзд. Но сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, масса которых может достигать миллиардов солнечных масс, более загадочны и влиятельны. Они каким-то образом управляют формированием и эволюцией галактики вокруг себя.
Когда две галактики сливаются, гравитационное взаимодействие со звёздами, газом и тёмной материей заставляет две сверхмассивные чёрные дыры медленно падать навстречу друг другу. Впервые этот процесс, названный динамическим трением, был описан астрофизиками в 1980 году. «Считается, что это основной способ сближения чёрных дыр», — говорит Дэн Хупер, астрофизик из Висконсинского университета в Мэдисоне.
Однако в определённый момент – на расстоянии от долей парсека до нескольких парсек, в зависимости от масс чёрных дыр — динамическое трение «перестаёт быть эффективным», говорит Хупер. Здесь, в центре сливающихся галактик, две чёрные дыры поглощают материал и отбрасывают его в сторону, создавая брешь. В результате плотность звёзд и газа резко падает, оставляя чёрные дыры в относительно пустом пространстве. Если вокруг них нет ничего, что могло бы замедлить их движение, они должны вращаться друг вокруг друга почти бесконечно.
«Земля вращается вокруг Солнца, и они не падают друг на друга, — говорит Алонсо-Альварес, и то же самое должно быть верно для двух чёрных дыр. — Сохранение углового момента на орбите не позволяет им падать, если только нет чего-то, что забирает эту энергию».
Эту роль может играть самовзаимодействующая тёмная материя, как предположили Алонсо-Альварес с коллегами в июльской публикации Physical Review Letters. Этот тип отличается от так называемой холодной тёмной материи — самого простого вида гипотетических частиц тёмной материи, которые были бы тяжёлыми, медленными и инертными. Холодная тёмная материя не взаимодействует ни с чем, кроме гравитации, поэтому гравитационное влияние чёрных дыр должно выкинуть её из окрестностей задолго до того, как чёрные дыры достигнут последнего парсека.
Однако самовзаимодействующая тёмная материя состоит из лёгких частиц, между которыми действует как минимум одна сила. Поскольку частицы самовзаимодействующей тёмной материи разлетаются друг от друга, как бильярдные шары на столе, их не так легко рассеять, и они будут тянуть за собой чёрные дыры, замедляя их движение. «Она остаётся там и создаёт трение, — говорит Алонсо-Альварес. — У неё есть своего рода вязкость». Это трение может привести к слиянию в течение 100 миллионов лет, что решит проблему последнего парсека.
«Сверхлёгкая» или «размытая» [fuzzy] тёмная материя состоит из частиц с чрезвычайно малой массой, которые собираются вместе, образуя огромные волны. Эти частицы также концентрируются в галактическом центре и испытывают трение с чёрными дырами, позволяя нечёткой тёмной материи «эффективно отбирать их угловой момент и орбитальную энергию», — говорит Чже-Веон Ли, космолог из Университета Джунгвон в Южной Корее и соавтор сентябрьской статьи в Physics Letters B, описывающей эту идею. Чёрные дыры заставляют эту тёмную материю вибрировать, как колокол, а не рассеиваться.
Бритва Оккама
Не все убеждены, что для объяснения слияния сверхмассивных чёрных дыр нам нужно прибегать к такой экзотической физике. «Я бы не сказал, что нам нужна самовзаимодействующая тёмная материя, — говорит Приямвада Натараджан, астрофизик-теоретик из Йельского университета.
Другая возможность заключается в том, что звёзды могут проноситься мимо сливающихся чёрных дыр и забирать у них угловой момент, что будет достаточно для их сближения. Возможно, звёзды случайным образом попадают к чёрным дырам из других мест галактики в результате взаимодействия с другими звёздами. «Если у вас есть множество таких звёзд, которые приближаются к двум центральным сверхмассивным чёрным дырам, то вы можете извлекать всё больше и больше углового момента», — говорит Фабио Пакуччи, астрофизик-теоретик из Гарвардского университета.
Однако моделирование показало, что довольно трудно будет набросать достаточно звёзд к чёрным дырам, чтобы решить проблему конечного парсека.
Как вариант, каждая чёрная дыра может иметь небольшой газовый диск вокруг себя, и эти диски могут притягивать материал из более широкого диска, который окружает пустую область, вырезанную дырами. «Диски вокруг них питаются из более широкого диска», — говорит Тейлор, а это, в свою очередь, означает, что их орбитальная энергия может просачиваться в более широкий диск. «Это кажется очень эффективным решением», — сказал Натараджан. «Там много газа».
В январе Блеха и её коллеги исследовали идею о том, что третья чёрная дыра в системе может стать решением проблемы. В некоторых случаях, когда две чёрные дыры перестают сближаться, другая галактика может начать сливаться с первыми двумя, принося с собой дополнительную чёрную дыру. «У вас может быть сильное взаимодействие трёх тел, — говорит Блеха. — Оно может отнимать энергию и значительно сокращать время слияния». В некоторых сценариях самая лёгкая из трёх дыр выбрасывается, а в других все три сливаются.
Испытания на горизонте
Теперь задача состоит в том, чтобы выяснить, какое решение является правильным, или тут играют роль сразу несколько процессов.
Алонсо-Альварес надеется проверить свою идею, отыскав сигнал самовзаимодействующей тёмной материи в будущих данных временного массива пульсаров. Когда чёрные дыры сближаются ближе последнего парсека, они теряют угловой момент, в основном излучая гравитационные волны. Но если в дело вступает самовзаимодействующая тёмная материя, то мы должны увидеть, как она отбирает часть энергии на расстояниях около последнего парсека. Это, в свою очередь, приведёт к появлению менее энергичных гравитационных волн, говорит Алонсо-Альварес.
Хай-Бо Ю, специалист по физике частиц из Калифорнийского университета в Риверсайде, сторонник самовзаимодействующей тёмной материи, сказал, что эта идея правдоподобна. «Это возможность найти микроскопические особенности тёмной материи с помощью физики гравитационных волн, — сказал он. — Я думаю, это просто восхитительно».
Космический аппарат LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства, гравитационно-волновая обсерватория, запуск которой намечен на 2035 год, может дать нам ещё больше ответов. LISA будет улавливать сильные гравитационные волны, излучаемые сливающимися сверхмассивными чёрными дырами в последние дни их существования. «С помощью LISA мы действительно увидим слияние сверхмассивных чёрных дыр», — говорит Пакуччи. Характер этого сигнала может выявить «особые черты, свидетельствующие о замедлении процесса», что позволит решить проблему последнего парсека.
