Для формування надмасивних чорних дір, схожих на ту, що міститься в центрі нашої галактики Молочний Шлях, потрібно багато часу. Зазвичай для народження чорної діри потрібно, щоб гігантська зоря з масою щонайменше 50 наших сонць згоріла — цей процес може тривати мільярд років — і її ядро ​​стиснулося до стану, коли виникає таке небесне тіло.

Попри це, утворена чорна діра з масою лише близько 10 сонячних мас дуже далека від чорної діри Стрільця A* з масою 4 мільйони сонячних мас, виявленої в нашій галактиці, або надмасивних чорних дір із мільярдами сонячних мас, які знайдено в інших галактиках. Такі гігантські чорні діри можуть утворюватися з менших чорних дір шляхом акреції газу та зір, а також шляхом злиття з іншими чорними дірами, на що потрібні мільярди років.

Чому ж тоді космічний телескоп Джеймса Вебба виявляє надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті, за багато років до того, як вони мали б сформуватися? У астрофізиків Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (University of California, Los Angeles; UCLA) є така ж незвичайна відповідь, як і самі чорні діри: темна матерія не давала водню охолонути достатньо довго, щоб гравітація встигла конденсувала його в хмари, досить великі та щільні. З таких хмар виникли чорні діри замість зір. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters.

«Неймовірно дивно виявити надмасивну чорну діру з мільярдом сонячних мас, коли самому Всесвіту лише півмільярда років», — сказав автор статті Александр Кусенко (Alexander Kusenko), професор фізики та астрономії з UCLA. «Це як знайти сучасну машину серед кісток динозавра і гадати, хто побудував цю машину в доісторичні часи».

Деякі астрофізики висловили припущення, що велика газова хмара може зруйнуватися, утворивши прямо надмасивну чорну діру, минаючи довгу історію спалювання, акреції та злиття зір. Але є заковика: сила тяжіння справді збере велику хмару газу разом, але не в одну велику хмару. Натомість вона збирає частини газу в маленькі згустки, які плавають один біля одного, але не утворюють чорну діру.

Причина в тому, що газова хмара занадто швидко охолоджується. Поки газ гарячий, його тиск може протидіяти силі тяжіння. Однак, якщо газ охолоджується, тиск зменшується, і гравітація може переважати в багатьох невеликих ділянках, які стискаються в щільні об’єкти, перш ніж гравітація матиме шанс затягнути всю хмару в одну чорну діру.

«Швидкість охолодження газу багато в чому залежить від кількості молекулярного водню», — сказав перший автор статті, докторант Іфан Лу (Yifan Lu). «Атоми водню, з’єднані в молекулу, розсіюють енергію, коли вони стикаються з вільним атомом водню. Молекули водню стають охолоджувачами, оскільки вони поглинають теплову енергію та випромінюють її. Водневі хмари в ранньому Всесвіті мали занадто багато молекулярного водню, і газ охолоджувався швидко й утворив маленькі згустки замість великих хмар».

Лу та докторант Захарі Пікер (Zachary Picker) написали код для розрахунку всіх можливих процесів у цьому сценарії та виявили, що додаткове випромінювання може нагрівати газ і розщеплювати молекули водню, змінюючи спосіб охолодження газу.

«Якщо додати випромінювання в певному діапазоні енергії, воно руйнує молекулярний водень і створює умови, які запобігають фрагментації великих хмар», — сказав Лу.

Але звідки береться випромінювання? Лише дуже мала частина матерії у Всесвіті є тією, з якої складаються наші тіла, наша планета, зорі та все інше, що ми можемо спостерігати. Переважна більшість матерії, виявленої за її гравітаційним впливом на зоряні об’єкти та за допомогою відхилення світлових променів від віддалених джерел, складається з якихось частинок, які науковці ще не ідентифікували.

Тому форми та властивості темної матерії є загадкою, яку ще належить розгадати. Хоча ми не знаємо, що таке темна матерія, теоретики в галузі елементарних частинок давно припускали, що вона може містити нестабільні частинки, які можуть розпадатися на фотони, кванти світла. Доповнивши модель такою темною матерією, науковці отримали випромінювання, потрібне для того, щоб газ залишався у великій хмарі, коли він колапсує в чорну діру.

Темна матерія може складатися з частинок, які повільно розпадаються, або вона може складатися з понад одного виду частинок: деякі стабільні, а інші розпадаються на ранній стадії. У будь-якому випадку продуктом розпаду може бути випромінювання у формі фотонів, які розщеплюють молекулярний водень і запобігають надто швидкому охолодженню водневих хмар. Навіть дуже помірний розпад темної матерії дає достатньо випромінювання, щоб запобігти охолодженню, утворенню великих хмар і, зрештою, надмасивних чорних дір.

«Це може бути розгадкою того, чому астрономи знаходять надмасивні чорні діри в дуже ранньому Всесвіті», — сказав Пікер. «Якщо ви налаштовані оптимістично, ви також можете сприймати це як позитивний доказ існування одного виду темної матерії. Якщо ці надмасивні чорні діри утворилися внаслідок колапсу газової хмари то, можливо, потрібне додаткове випромінювання мало б походити від невідомої фізики темного сектору».

За інф. з сайту https://phys.org