Появу надмасивних чорних дір у перші сотні мільйонів років після Великого вибуху може пояснити темна матерія. Астрономи вважають, що стиснуте під дією власної гравітації гало темної матерії може стати зародком для чорної діри. Щоправда, для цього темна матерія має взаємодіяти сама з собою. Детальніше про свої здогадки вчені розповіли у Astrophysical Journal Letters.
Пніуаена в уявленні художника. WM Keck Observatory
Що заважало народжуватися чорним дірам?
Астрономи спостерігають багато надмасивних чорних дір - тих, що мають масу близько десяти мільярдів сонячних. Але щоб діра стала надмасивною, вона має протягом мільярдів років притягувати до себе матерію. І тоді постає питання, звідки могли з'явитися надмасивні чорні діри у ранньому Всесвіті, коли його вік складав лише 800 мільйонів років, тобто 6 відсотків від теперішнього. Наприклад, вчені припускають, що зародки надмасивних чорних дір могли утворитися з колапсу надмасивних первинних зірок, маса яких в десятки тисяч разів перевищує масу Сонця.
У своїй роботі вчені представили сценарій, за яким походження надмасивних чорних дір з високим значенням червоного зсуву можна пояснити гало темної матерії, які під дією власної гравітації колапсують, та можуть слугувати зародком таким об'єктам.
Як темна матерія може утворити чорну діру?
Вважається, що галактики оточені гало темної матерії - ми не можемо безпосередньо його спостерігати, але рух зірок та газу натякає на його існування. Але вчені гадають, що частинки темної матерії ніяк, окрім як гравітаційно, не взаємодіють між собою. Втім, для того, щоб утворити зародок чорної діри, їм потрібно взаємодіяти і колапсувати.
Тому у новій роботі вчені спираються на гіпотезу про темну матерію, що самовзаємодіє (self-interacting dark matter, SIDM) та призводить до обміну енергією й імпульсом між її частинками та появі рівномірного розподілу енергії у центральній області її гало. З огляду на це, гало темної матерії, яке самовзаємодіє, може відчувати гравітаційну нестійкість, що веде до утворення неоднорідностей та змушує його центральну область колапсувати у зародкову чорну діру.
І скільки чорних дір могло утворитися за цим сценарієм?
Свою теорію вчені перевірили за даними про найпотужніший з відомих квазарів J1007 + 2115. Він існував за часів, коли вік Всесвіту становив 700 мільйонів років, а всередині квазар приховує аномально масивну чорну діру з масою 1,5 мільярда мас Сонця. Об'єкт, до речі, називається Пніуаена (Pōniuāʻena), що в перекладі з гавайського означає «небачене оточене сяйвом джерело творіння, що обертається». Його існування не може пояснити жодна з існуючих теорій, однак, за новим сценарієм, він міг з'явитися із прямого колапсу гало темної матерії масою у сотню сонячних.
За словами вчених, гало, з якого могли утворитися зародки чорних дір, мають бути дуже щільними, тож за їхнім сценарієм очікується, що надмасивні чорні діри, які народилися у перші сотні мільйонів років після Великого вибуху, будуть рідкістю. Хоча колапс гало темної матерії пояснить походження надмасивних чорних дір на червоних зсувах z ~ 6-7. Додатково перевірити гіпотезу вченим дозволять подальші спостереження.
Також раніше ми писали, що надмасивна чорна діра у центрі нашої галактики може виявитися об'єднанням ядер темної матерії - на це вказали зорі навколо Стрільця A*.