Таємницю "неможливих" гігантських чорних дір розкрито: їх створило те, чого фізики ще не бачили

Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише Space.

За останні кілька років астрофізики виявили, що в найранішому Всесвіті, через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, існували надмасивні чорні діри, маса яких у мільярди разів більша, ніж у Сонця.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Загадкові чорні діри з раннього Всесвіту

Поки що вчені знають лише один спосіб створення чорних дір: смерть масивних зірок. Але ці чорні діри мають масу, яка лише в десятки разів більша, ніж у Сонця. Для того, щоб стати надмасивними чорним дірам необхідні мільярди років. Тобто, проблема з гігантськими чорними дірами в самому ранньому Всесвіті полягає в тому, що просто не було достатньо часу, щоб з'явилися перші зірки, померли, а потім маленькі чорні діри набрали так багато маси.

Це означає, що в ранньому Всесвіті існував інший механізм створення чорних дір. Можливо, величезні хмари з газоподібного водню і гелію безпосередньо стиснулися під дією гравітації, і не створили при цьому зірки, а відразу створили чорні діри.

Але такі газові хмари утворюють молекулярний водень, який дуже ефективно охолоджує газ. Це призводить до того, що газова хмара розділяється на частини, створюючи зірки, а отже, не може напряму створити чорну діру. Уникнути утворення молекулярного водню можна, якщо пропустити через хмару високоенергетичне ультрафіолетове випромінювання. Але такого випромінювання було дуже мало в ранньому Всесвіті, оскільки зірки ще не сформувалися.

Надлегка темна матерія

Тому астрофізики припускають, що за створенням надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті, ймовірно, стояла надзвичайно легка темна матерія. Ця речовина, яку вчені ще не бачили напряму, заповнює 85% маси Всесвіту і впливає гравітацією на звичайну, видиму матерію.

Учені вважають, що темна матерія може складатися з частинок, маса яких у мільярди разів менша, ніж у нейтрино, найлегшої відомої частинки. Астрофізики вважають, що якщо темна матерія дуже легка, то вона діє як квантовий океан, який за допомогою хвиль може створювати ділянки темної матерії з дуже високою щільністю. Водночас така надлегка темна матерія може перетворюватися на частинки світла або фотони і таким чином перешкоджає утворенню молекулярного водню, а отже дає змогу стиснутися газовим хмарам і створювати гігантські чорні діри.

Галактики в ранньому Всесвіті були згустками водню і гелію, зануреними в океан темної матерії. Але оскільки океан темної матерії міг підтримувати хвилі, могли з'являтися і ділянки з високою щільністю, кажуть учені. Астрофізики вважають, що між хвилями темної матерії і газовими хмарами існує механізм зворотного зв'язку, що призводить до явища, відомого як резонанс. Тобто хвилі продовжували посилюватися до дедалі вищих енергій.

Як темна матерія створила "неможливі" гігантські чорні діри?

Після того, як резонанс посилився, області високої щільності темної матерії перетворилися на фотони ще до появи перших зірок. Але ці фотони були занадто низькоенергетичними, щоб розщепити молекулярний водень. Тож учені зрозуміли, що для того, щоб цей процес працював, має бути щось, що посилило енергію фотонів. Цим процесом могла бути термалізація. У цьому процесі низькоенергетичні фотони нагріли навколишній газ, і він почав випускати випромінювання з різною енергією, включно з ультрафіолетовим випромінюванням, необхідні для розщеплення молекулярного водню.

Моделювання показало, що надлегка темна матерія могла б виробляти достатньо ультрафіолетового випромінювання, щоб підтримувати газові хмари в теплі і не допускати їх фрагментації. Це дозволило б хмарам стиснутися безпосередньо у величезні чорні діри.

Як уже писав Фокус, на найбільшому супутнику Сатурна річки і моря мають незрозумілі особливості. На Землі берегові лінії відзначають місця, де суша і море постійно взаємодіють. Там річки зустрічаються з океанами і морями та утворюють дельти, але на Титані їх немає. При цьому в морях на Титані вчені виявили щось дивне, що також не можуть пояснити.