Ciemna materia może dostarczyć supermasywnym czarnym dziurom energię potrzebną do zderzenia się na końcu ich długiej podróży. Nowe modelowanie matematyczne sugeruje, że problem ostatniego parseka można rozwiązać dzięki obecności cząstek ciemnej materii, które pozostają skoncentrowane wokół czarnych dziur, umożliwiając im pokonanie ostatniej odległości.
To odkrycie sugeruje, że tajemnicza materia, która nadaje wszechświatowi dodatkową grawitację, musi być zdolna do wzajemnych oddziaływań, ponieważ problem nie może być rozwiązany przy użyciu modeli nieoddziałującej ciemnej materii.
„Nasz model pokazuje, że uwzględnienie wcześniej pomijanego wpływu ciemnej materii może pomóc supermasywnym czarnym dziurom pokonać ostatni parsek separacji i połączyć się,” mówi fizyk Gonzalo Alonso-Álvarez z Uniwersytetu w Toronto i Uniwersytetu McGill.
Supermasywne czarne dziury, znajdujące się w centrach galaktyk, stanowią ogromne wyzwanie dla astronomów. Wiemy, że mniejsze czarne dziury powstają z zapadających się jąder masywnych gwiazd. Te mniejsze masy mogą łączyć się w większe; największe wykryte dotąd połączenie czarnych dziur dało obiekt o masie równej 142 Słońcom.
Supermasywne czarne dziury mają masę od milionów do miliardów razy większą od Słońca. Można przypuszczać, że osiągają taką wielkość, łącząc się z innymi ogromnymi czarnymi dziurami. Obserwowaliśmy nawet supermasywne czarne dziury krążące wokół siebie po połączeniu galaktyk, co sugeruje ich przyszłe zderzenie.
Nie jest jednak jasne, jak te supermasywne czarne dziury się zderzają. Modele pokazują, że gdy supermasywne czarne dziury krążą wokół siebie, przekazują swoją energię orbitalną gwiazdom i gazowi wokół nich, co powoduje zmniejszenie ich orbity. Gdy są oddalone o około jeden parsek – 3,2 roku świetlnego – ich galaktyczne otoczenie nie może już wspierać dalszego rozpadu orbity, więc orbita czarnych dziur stabilizuje się na bardzo długi czas.
Jednym ze sposobów na stwierdzenie, czy supermasywne czarne dziury rzeczywiście się połączyły, są fale grawitacyjne; ogromne zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni spowodowane przez masywne obiekty. Jeśli supermasywne czarne dziury zderzają się w całym wszechświecie, powinna istnieć charakterystyczna „muzyka tła” fal grawitacyjnych.
Ostatecznie wykryliśmy tło fal grawitacyjnych, co sugeruje, że brakuje nam kluczowego elementu historii kolizji supermasywnych czarnych dziur.
Ciemna materia może być tym brakującym elementem. Wcześniejsze modele sugerowały, że ich grawitacyjne oddziaływanie powinno również wyrzucać cząstki ciemnej materii z systemu, które mogłyby pochłaniać ostatnią część energii orbitalnej.
Problem z ciemną materią polega na tym, że nie wiemy, czym jest. Nie oddziałuje z normalną materią poza swoim przyciąganiem grawitacyjnym, co sprawia, że jest niezwykle trudna do badania. Nazywamy ją ciemną materią jako termin tymczasowy i naukowcy starają się poznać jej właściwości poprzez badanie zachowania wszechświata.
Alonso-Álvarez i jego koledzy zastanawiali się, czy zbyt szybko odrzuciliśmy ciemną materię jako rozwiązanie, więc zaprojektowali modele matematyczne, aby to sprawdzić. Odkryli, że ciemna materia, która oddziałuje ze sobą, może pozostawać w pobliżu łączących się supermasywnych czarnych dziur, dając im coś, na co mogą przekazać swoją ostatnią energię orbitalną, aby w końcu połączyć się w jedną ogromną supermasywną czarną dziurę.
Obecnie wyniki są dość teoretyczne, ale przewidują one zjawiska, które można zaobserwować. Na przykład, wyniki przewidują złagodzenie tła fal grawitacyjnych, co już zaobserwowano. Wyniki mogą również pomóc w zrozumieniu halo ciemnej materii otaczających galaktyki w całym wszechświecie, ponieważ cząstki muszą oddziaływać na skalę galaktyczną, aby rozwiązać problem ostatniego parseka.
Badania te stanowią nową metodę do rozwiązywania tajemnic ciemnej materii.
„Nasza praca to nowy sposób na zrozumienie natury cząstek ciemnej materii,” mówi Alonso-Álvarez. „Odkryliśmy, że ewolucja orbit czarnych dziur jest bardzo wrażliwa na mikro fizykę ciemnej materii, co oznacza, że możemy używać obserwacji łączenia się supermasywnych czarnych dziur do lepszego zrozumienia tych cząstek
Źródło: Science Alert
