Тайна "невозможных" гигантских черных дыр раскрыта: их создало то, чего физики еще не видели

Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv, пишет Space.

За последние несколько лет астрофизики обнаружили, что в самой ранней Вселенной, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, существовали сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллиарды раз больше, чем у Солнца.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Загадочные черные дыры из ранней Вселенной

Пока что ученые знают только один способ создания черных дыр: смерть массивных звезд. Но эти черные дыры имеют массу, которая лишь в десятки раз больше, чем у Солнца. Для того, чтобы стать сверхмассивными черным дырам необходимы миллиарды лет. То есть, проблема с гигантскими черными дырами в самой ранней Вселенной состоит в том, что просто не было достаточно времени, чтобы появились первые звезды, умерли, а затем маленькие черные дыры набрали так много массы.

Это значит, что в ранней Вселенной существовал другой механизм создания черных дыр. Возможно, огромные облака из газообразного водорода и гелия напрямую сжались под действием гравитации, и не создали при этом звезды, а сразу создали черные дыры.

Но такие газовые облака образуют молекулярный водород, который очень эффективно охлаждает газ. Это приводит к тому, что газовое облако разделяется на части, создавая звезды, а значит не может напрямую создать черную дыру. Избежать образования молекулярного водорода можно, если пропустить через облако высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение. Но такого излучения было очень мало в ранней Вселенной, поскольку звезды еще не сформировались.

Сверхлегкая темная материя

Поэтому астрофизики предполагают, что за созданием сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, вероятно, стояла чрезвычайно легкая темная материя. Это вещество, которое ученые еще не видели напрямую, заполняет 85% массы Вселенной и влияет гравитацией на обычную, видимую материю.

Ученые считают, что темная материя может состоять из частиц, масса которых в миллиарды раз меньше, чем у нейтрино, самой легкой известной частицы. Астрофизики считают, что если темная материя очень легкая, то она действует как квантовый океан, который с помощью волн может создавать участки темной материи с очень высокой плотностью. В то же время такая сверхлегкая темная материя может превращаться в частицы света или фотоны и таким образом препятствует образованию молекулярного водорода, а значит позволяет сжаться газовым облакам и создавать гигантские черные дыры.

Галактики в ранней Вселенной были сгустками водорода и гелия, погруженными в океан темной материи. Но поскольку океан темной материи мог поддерживать волны, могли появляться и участки с высокой плотностью, говорят ученые. Астрофизики считают, что между волнами темной материи и газовыми облаками существует механизм обратной связи, что приводит к явлению, известному как резонанс. То есть волны продолжали усиливаться до все более высоких энергий.

Как темная материя создала "невозможные" гигантские черные дыры?

После того, как резонанс усилился, области высокой плотности темной материи преобразовались в фотоны еще до появления первых звезд. Но эти фотоны были слишком низкоэнергетическими, чтобы расщепить молекулярный водород. Поэтому ученые поняли, что для того, чтобы этот процесс работал, должно быть что-то, что усилило энергию фотонов. Этим процессом могла быть термализация. В этом процессе низкоэнергетические фотоны нагрели окружающий газ, и он начал выпускать излучение с разной энергией, включая ультрафиолетовое излучение, необходимые для расщепления молекулярного водорода.

Моделирование показало, что сверхлегкая темная материя могла бы производить достаточно ультрафиолетового излучения, чтобы поддерживать газовые облака в тепле и не допускать их фрагментации. Это позволило бы облакам сжаться напрямую в огромные черные дыры.

Как уже писал Фокус, на крупнейшем спутнике Сатурна реки и моря имеют необъяснимые особенности. На Земле береговые линии отмечают места, где суша и море постоянно взаимодействуют. Там реки встречаются с океанами и морями и образуют дельты, но на Титане их нет. При этом в морях на Титане ученые обнаружили нечто странное, что также не могут объяснить.