Сегодня Понедельник , 24 Ноябрь 2025

Дом Тайны вселенной \"Проблема последнего парсека\", из-за которой невозможно объяснить сверхмассивные черные дыры, наконец-то получила решение

Тайны вселенной

\"Проблема последнего парсека\", из-за которой невозможно объяснить сверхмассивные черные дыры, наконец-то получила решение

20.08.20242

Ученые моделировали, как сверхмассивные черные дыры образуются при слиянии двух меньших черных дыр. Но в их симуляциях большинство пар массивных черных дыр застревают на орбите друг друга на неопределенное время. Теперь ученые, возможно, наконец-то нашли решение этой \"проблемы последнего парсека\" - и это может помочь раскрыть личность одного из самых загадочных компонентов Вселенной.

$\""Проблема$

В центре большинства обычных галактик скрывается сверхмассивная черная дыра (SMBH), подобная той, что была запечатлена коллаборацией телескопов Event Horizon Telescope в галактике M87. Масса этой дыры примерно в 6,5 миллиарда раз больше массы Солнца, но она не всегда была такой большой. Астрономы считают, что SMBH начинаются с гораздо меньших размеров и превращаются в гигантов в результате многократных слияний с другими черными дырами.

Доказательства существования этих сталкивающихся гигантов появились в 2023 году, когда ученые из коллаборации International Pulsar Timing Array объявили, что обнаружили фоновый \"гул\" гравитационных волн - пульсации в ткани пространства-времени, возникающие при слиянии чрезвычайно массивных объектов. Астрономы полагают, что этот фон создается удаленными парами массивных черных дыр, посылающих в пространство \"звон\" гравитационного эха своих далеких столкновений.

Вечный космический танец

Исследователи используют сложные компьютерные модели, чтобы изучить сложный танец этих кружащих черных дыр. Но до сих пор модели сталкивались с проблемой: когда черные дыры оказываются на расстоянии около парсека - около 3,26 световых лет - они застревают, вечно кружась друг вокруг друга.

Ведь чтобы столкнуться и слиться, спиралевидные черные дыры должны сначала потерять энергию и замедлиться. Приближаясь друг к другу на расстояние многих световых лет, черные дыры проходят по орбите через газовые облака и звездные скопления, которые замедляют их движение, заставляя закручиваться в спираль еще ближе.

Но к тому времени, когда они достигнут последнего парсека, не останется достаточно материала, чтобы истощить их энергию. Вместо этого модели предсказывают, что продолжительность их финального слияния превышает текущий возраст Вселенной. Это стало известно как \"проблема последнего парсека\".

Ученые предложили несколько идей для решения этой проблемы. Один из ответов заключается в том, что вращающийся диск материи, вращающийся вокруг черных дыр, называемый аккреционным диском, может ускорить их падение. Предыдущие компьютерные симуляции показали, что это сокращает время до нескольких миллиардов лет, но этого недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый фон гравитационных волн или то, как SMBH могут вырасти такими большими. В статье, опубликованной в июле в журнале Physical Review Letters, предлагается новый способ, с помощью которого черные дыры могут терять оставшуюся энергию: если темная материя \"самовзаимодействует\".\"Возможность того, что частицы темной материи взаимодействуют друг с другом, - это наше предположение, дополнительный ингредиент, который есть не во всех моделях темной материи\", - сказал ведущий автор исследования Гонсало Алонсо-Альварес, постдокторант Университета Торонто, в своем заявлении. \"Мы утверждаем, что только модели с этим ингредиентом могут решить проблему последнего парсека\".Хотя темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной, она, по сути, невидима, и о ее свойствах мало что известно. Обычно ученые предполагают, что она не подвержена столкновениям, то есть не взаимодействует ни с обычной материей, ни с самой собой, ни с чем, кроме гравитации. Но поскольку о ней известно так мало, астрономы иногда выходят за рамки этой простой модели.Физики уже рассматривали самовзаимодействующую темную материю (SIDM), потому что она может помочь объяснить мелкомасштабные структуры в галактиках, с которыми не справляется традиционная темная материя, и потому что она может помочь объяснить образование неожиданно больших галактик в ранней Вселенной.

Гравитационное притяжение SMBHs притягивает темную материю в плотное скопление, которое астрофизики называют \"шипом\". Когда авторы исследования использовали в своих моделях обычную темную материю, шипы не поглощали всю энергию черных дыр.

Шипы не способны поглощать тепло от трения и разрушаются при слиянии\", - объясняет команда в своей работе. Энергия орбитальных черных дыр нагревает темную материю, в конечном итоге рассеивая ее в более широкой галактике, нейтрализуя желаемый эффект на орбитальные черные дыры.

Однако когда команда скорректировала свойства темной материи в своих моделях, чтобы сделать ее самовзаимодействующей, они обнаружили, что всплеск поглощает энергию, не будучи нарушенным. Черные дыры продолжают закручиваться внутрь и попадают в зону, где они излучают гравитационные волны, которые могут быть обнаружены экспериментами с пульсарами. (Пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звезды - испускают пучки излучения, как космические маяки; тщательно измеряя время прихода их вспышек, ученые могут обнаружить крошечные колебания, вызванные прохождением гравитационных волн).

В этих моделях черные дыры сливаются менее чем за миллиард лет - достаточно короткий промежуток времени, чтобы бесчисленные слияния могли вызвать обнаруженный гравитационный волновой фон.

SIDM смягчает спектр

Пока еще теоретические, новые модели SIDM могут помочь решить еще одну загадку. Когда черные дыры находятся далеко друг от друга, они излучают очень длинные гравитационные волны, похожие на широко разделенные гребни океанских волн. Когда черные дыры сближаются по спирали, гребни также становятся ближе друг к другу. Но измерения времени пульсаров намекают на то, что высота гребней меньше, когда они ближе друг к другу - этот эффект астрономы называют \"смягчением\" спектра.

При использовании обычной темной материи такого смягчения не происходит, но когда команда ввела вместо нее SIDM, всплеск темной материи не только поглотил энергию, но и смягчил спектр гравитационных волн.

\"Предсказание нашего предложения заключается в том, что спектр гравитационных волн, наблюдаемых с помощью синхронизаторов пульсаров, должен быть смягчен на низких частотах\", - сказал соавтор исследования Джеймс Клайн, профессор Университета Макгилла и кафедры теоретической физики ЦЕРН в Швейцарии, в своем заявлении. \"Текущие данные уже намекают на такое поведение, а новые данные, возможно, смогут подтвердить его в ближайшие несколько лет\".

Если будущие измерения с помощью синхронизаторов пульсаров подтвердят смягчение спектра гравитационных волн, ученые наконец-то смогут узнать больше о неуловимых свойствах темной материи по поведению некоторых из самых больших гигантов во Вселенной.

В нашем Telegram‑канале, вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.

Поделитесь:

Назад Близкое приближение ожидается 19 августа

Далее Почему суперлуние \"Голубая Луна\", которое бывает раз в десятилетие, происходит дважды за 2 года?