Сверхмассивные черные дыры — монстры весом в миллионы и даже миллиарды солнц — прячутся в центрах большинства крупных галактик.

Астрономы обнаружили, что они существовали уже через 450 миллионов лет после Большого взрыва. Это ставит под вопрос наши представления о том, как развивалась Вселенная.

Как такие гиганты успели появиться так быстро? Одна из главных загадок современной астрофизики.

Теоретический физик Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде получил грант в 260 000 долларов от Фонда Джона Темплтона, чтобы разобраться, как возникали «зародыши» сверхмассивных черных дыр в молодой Вселенной.

Зародыш — это небольшая черная дыра, которая потом растет, поглощая материю или сливаясь с другими.

Но чтобы объяснить существование сверхмассивных дыр в ранней Вселенной, нужно либо допустить, что их зародыши были невероятно тяжелыми, либо что они росли с бешеной скоростью.

Мы исследуем новый механизм образования таких черных дыр, — говорит Ю. — Происхождение сверхмассивных дыр и природа темной материи — две крупнейшие нерешенные проблемы науки. Мы хотим объяснить их в одной теории.

Команда Ю предполагает, что гало из само-взаимодействующей темной материи (SIDM) — в отличие от обычной темной материи — могут сжиматься под действием гравитации, образуя черные дыры-зародыши. Эти зародыши затем быстро растут, и это объясняет, почему телескоп «Джеймс Уэбб» уже видит сверхмассивные дыры в эпоху „космического рассвета“.

Гало из темной материи — это невидимый «ореол» из частиц темной материи, окружающий галактики. Оно не излучает свет, но его гравитация удерживает звезды и газ, не давая им разлететься. В стандартной модели частицы темной материи почти не взаимодействуют друг с другом, но в SIDM-моделях они сталкиваются, как молекулы газа.

В моделях SIDM частицы темной материи взаимодействуют через «темную силу», что позволяет им рассеиваться и переносить тепло в центре гало. Это ключевое условие для коллапса. Такой сценарий дает естественное объяснение раннему появлению черных дыр.

Проект рассчитан на три года: ученые будут сочетать аналитические расчеты с детальными космологическими симуляциями, чтобы изучить, как SIDM влияет на рост черных дыр. Результаты сравнят с данными «Уэбба» и поищут следы этого механизма в современной Вселенной.

Наша работа поможет понять, как взаимодействие темной материи формировало Вселенную в прошлом и формирует сейчас, — говорит Ю.

Если теория подтвердится, это будет прорыв в нескольких областях:

• Понимание ранней Вселенной — мы узнаем, как успели появиться сверхмассивные черные дыры, и, возможно, пересмотрим модели эволюции галактик.
• Темная материя — если SIDM действительно участвует в образовании черных дыр, это даст косвенные доказательства ее свойств.
• Новые наблюдаемые явления — можно будет предсказать, где искать «потомков» таких процессов в современной Вселенной.

Главная слабость гипотезы — отсутствие прямых доказательств само-взаимодействия темной материи. Пока это лишь теоретическая модель, и альтернативные объяснения (например, сверхбыстрый рост черных дыр за счет аккреции) тоже возможны. Кроме того, симуляции могут не учесть все факторы, влияющие на коллапс гало.

Ранее ученые в реальном времени рассмотрели формирование джетов черных дыр.