Могут ли коллапсирующие ореолы темной материи засеять сверхмассивные черные дыры?

Команда, возглавляемая физиком-теоретиком из Калифорнийского университета в Риверсайде, предложила объяснение: массивная черная дыра-семя, которая может образоваться в результате коллапса гало темной материи.

Художественная концепция сверхмассивной черной дыры, окруженной аккреционным диском и испускающей релятивистский джет. 

«Физики недоумевают, почему сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной, расположенные в центральных областях гало темной материи, растут так сильно за короткое время», – сказал Хай-Бо Ю, доцент физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде. руководил исследованием.

«Это как пятилетний ребенок, который весит, скажем, 200 фунтов. Такой ребенок удивит всех нас, потому что мы знаем типичный вес новорожденного и скорость его роста. Что касается черных дыр, у физиков есть общие ожидания относительно массы зародышевой черной дыры и скорости ее роста. Присутствие SMBH предполагает, что эти общие ожидания были нарушены, что требует новых знаний. И это захватывающе ».

Семенная черная дыра – это черная дыра на начальной стадии, сродни младенческой стадии в жизни человека.

«Мы можем придумать две причины», – добавил Ю. «Семя – или« ребенок »- черная дыра либо намного массивнее, либо растет намного быстрее, чем мы думали, либо и то, и другое. Тогда возникает вопрос: каковы физические механизмы образования достаточно массивной черной дыры или достижения достаточно высокой скорости роста? »

«Черным дырам требуется время, чтобы стать массивными за счет аккреции окружающей материи», – сказал соавтор И-Мин Чжун, научный сотрудник Института космологической физики Кавли при Чикагском университете. «Наша статья показывает, что если темная материя имеет самовзаимодействие, то гравотермический коллапс гало может привести к достаточно массивной черной дыре-зародышу. Темпы его роста больше соответствовали бы общим ожиданиям ».

В астрофизике популярным механизмом, используемым для объяснения сверхмассивных черных дыр, является коллапс чистого газа в протогалактиках ранней Вселенной.

«Этот механизм, однако, не может создать достаточно массивную зародышевую черную дыру, чтобы вместить недавно обнаруженные сверхмассивные ЧД – если только черная дыра не испытала чрезвычайно высокую скорость роста», – сказал Ю. «Наша работа предлагает альтернативное объяснение: самовзаимодействующий ореол темной материи испытывает гравотермическую нестабильность, и его центральная область коллапсирует в зародышевую черную дыру».

Объяснение, предлагаемое Ю и его коллегами, работает следующим образом:

Частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи. Во время эволюции ореола действуют две конкурирующие силы – гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация притягивает их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают обратно. Однако в случае самовзаимодействия темной материи самовзаимодействие темной материи может переносить тепло от этих «более горячих» частиц к ближайшим более холодным. Это затрудняет отскок частиц темной материи.

Ю объяснил, что центральное гало, которое могло бы схлопнуться в черную дыру, имеет угловой момент, то есть вращается. Самовзаимодействие может вызвать вязкость или «трение», которое рассеивает угловой момент. В процессе схлопывания центральный ореол, имеющий фиксированную массу, сжимается по радиусу и замедляется во вращении из-за вязкости. По мере продолжения эволюции центральный гало в конечном итоге схлопывается до особого состояния: зародышевой черной дыры. Это семя может стать более массивным за счет аккреции окружающей барионной или видимой материи, такой как газ и звезды.

«Преимущество нашего сценария в том, что масса зародышевой черной дыры может быть высокой, поскольку она создается в результате коллапса гало темной материи», – сказал Ю. «Таким образом, она может вырасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени».

Новая работа нова в том, что исследователи определяют важность барионов – обычных атомных и молекулярных частиц – для реализации этой идеи.

«Во-первых, мы показываем, что присутствие барионов, таких как газ и звезды, может значительно ускорить начало гравотермического коллапса ореола, а черная дыра может быть создана достаточно рано», – сказал Вэй-Сян Фэн, аспирант Юя. и соавтор статьи. «Во-вторых, мы показываем, что самовзаимодействие может вызвать вязкость, которая рассеивает остаток углового момента центрального гало. В-третьих, мы разрабатываем метод исследования условия для запуска общей релятивистской нестабильности схлопнувшегося гало, которая гарантирует, что при выполнении условия может образоваться затравочная черная дыра ».

За последнее десятилетие Ю исследовал новые предсказания самовзаимодействия темной материи и их наблюдательные последствия. Его работа показала, что самовзаимодействующая темная материя может дать хорошее объяснение наблюдаемому движению звезд и газа в галактиках.

«Во многих галактиках звезды и газ доминируют над их центральными областями», – сказал он. «Таким образом, естественно спросить, как присутствие этой барионной материи влияет на процесс коллапса. Мы показываем, что это ускорит наступление коллапса. Эта особенность – именно то, что нам нужно, чтобы объяснить происхождение сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Самовзаимодействия также приводят к вязкости, которая может рассеивать угловой момент центрального гало и еще больше способствовать процессу коллапса ».