Тёмная материя могла помочь сверхмассивным чёрным дырам вырасти слишком быстро

Новое исследование предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры, существовавшие ещё до того, как Вселенной исполнился 1 миллиард лет, могли сформироваться при помощи тёмной материи — самой загадочной субстанции в космосе.

С тех пор как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) начал передавать данные на Землю летом 2022 года, он постоянно преподносит учёным одну загадку: телескоп находит сверхмассивные чёрные дыры уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Это проблема, потому что процессы слияния и аккреции, позволяющие чёрным дырам достигать массы в миллионы и миллиарды масс Солнца, должны занимать как минимум 1 миллиард лет.

Поэтому учёные активно ищут механизм роста, который объяснил бы существование таких гигантов в ранней Вселенной. И вот одна группа исследователей выдвинула теорию: подобные космические титаны могли появиться раньше срока благодаря изменениям в галактиках, вызванным энергией, высвобождаемой при распаде тёмной материи.

Один из предложенных механизмов раннего роста чёрных дыр — это прямое коллапсирование огромных облаков газа и пыли с немедленным формированием «семенной» чёрной дыры, без необходимости ждать рождения, жизни и смерти массивной звезды. Однако этот процесс всё равно требует, чтобы звёзды светили на эти облака, обеспечивая их энергией, — но такие условия встречаются редко. Слишком редко, чтобы объяснить обилие ранних сверхмассивных чёрных дыр, наблюдаемых JWST. По крайней мере, если не существует иного источника энергии.

«Наше исследование показывает, что распадающаяся тёмная материя может глубоко изменить эволюцию первых звёзд и галактик, оказывая повсеместное воздействие на Вселенную, — заявил руководитель группы Яш Аггарвал из Калифорнийского университета в Риверсайде. — Теперь, когда JWST обнаруживает всё больше сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, этот механизм может помочь преодолеть разрыв между теорией и наблюдениями».

Тёмная материя составляет 85% всей материи в космосе и остаётся такой загадочной потому, что не взаимодействует со светом (точнее, с электромагнитным излучением). Это не только делает её невидимой, но и говорит учёным, что тёмная материя не может состоять из электронов, нейтронов и протонов — частиц, образующих атомы звёзд, планет, наших тел и всего, что нас окружает.

Аггарвал и его коллега Флип Танедо считают, что для «подзарядки» первичных газовых облаков потребовалось бы энергии, эквивалентной одной миллиардной триллионной доли энергии элементарной батарейки типа АА, и распад тёмной материи способен обеспечить такой уровень.

Работа команды также позволила определить гипотетический диапазон масс частиц тёмной материи — от 24 до 27 электронвольт, — способных запустить создание чёрных дыр прямого коллапса, что даёт сверхмассивным чёрным дырам фору в росте.

Эта теория, опубликованная 14 апреля в Журнале космологии и астрофизики частиц, открывает удивительную возможность: тёмная материя, которую до сих пор было невозможно обнаружить напрямую, может оставлять «отпечатки пальцев» в виде необъяснимо массивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Иными словами, JWST случайно может выполнять функцию детектора тёмной материи, фиксируя её косвенные проявления. Если модель подтвердится, это решит сразу две фундаментальные проблемы: происхождение сверхмассивных чёрных дыр и природу тёмной материи. Более того, исследователи подчёркивают, что их вывод возник на стыке физики частиц, космологии и астрофизики — именно там, где рождаются самые неожиданные и плодотворные идеи. Следующий этап — поиск наблюдательных подтверждений, и здесь учёные возлагают большие надежды на новые данные JWST и будущие обсерватории. Если теория верна, то тёмная материя не просто заполняет космос, но и активно формирует самую экстремальную его часть — чёрные дыры, которые мы видим сегодня.