W 2023 roku astrofizycy ogłosili odkrycie „brzęczenia” fal grawitacyjnych przenikających wszechświat. Uważali, że ten sygnał tła pochodzi od milionów połączeń par supermasywnych czarnych dziur (SMBH), z których każda jest miliardy razy masywniejsza od naszego Słońca.

Jednak teoretyczne symulacje wykazały, że gdy te ogromne obiekty niebieskie zbliżają się, ich podejście zatrzymuje się w odległości około jednego parseka - co stanowi około trzech lat świetlnych - uniemożliwiając ich połączenie. Ten „problem ostatniego parseka” nie tylko stoi w sprzeczności z teorią, że połączenia SMBH są źródłem fal grawitacyjnych, ale także z teorią, że SMBH rosną przez łączenie mniej masywnych czarnych dziur.

Nowe badania
Teraz zespół, w tym Gonzalo Alonso-Álvarez, wykazał, że pary SMBH mogą przekroczyć granicę jednego parseka i połączyć się w jedną większą czarną dziurę. Według ich nowych obliczeń, SMBH nadal zbliżają się z powodu wcześniej pomijanych interakcji z cząstkami wewnątrz ogromnej chmury ciemnej materii, która je otacza.

"Pokazujemy, że uwzględnienie wcześniej pomijanego wpływu ciemnej materii może pomóc supermasywnym czarnym dziurom pokonać ten ostatni parsek separacji i połączyć się," mówi Alonso-Álvarez. "Nasze obliczenia wyjaśniają, jak może to się stać, wbrew wcześniejszym poglądom."

Badania zostały opisane w artykule „Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers” opublikowanym w tym miesiącu w czasopiśmie Physical Review Letters.

Wśród współautorów artykułu są Alonso-Álvarez, postdoktorant na Wydziale Fizyki na Wydziale Sztuki i Nauki oraz na Wydziale Fizyki i Instytucie Kosmicznym Trottiera na Uniwersytecie McGill; profesor James Cline z Uniwersytetu McGill oraz Działu Fizyki Teoretycznej CERN w Szwajcarii; oraz Caitlyn Dewar, studentka magisterium z fizyki na Uniwersytecie McGill.

SMBH i ciemna materia
Uważa się, że SMBH leżą w centrach większości galaktyk i kiedy dwie galaktyki zderzają się, SMBH wchodzą na orbitę wokół siebie. Podczas gdy krążą wokół siebie, grawitacyjna siła pobliskich gwiazd przyciąga je i spowalnia. W rezultacie SMBH spiralnie zbliżają się do połączenia.

Poprzednie modele połączeń wykazały, że gdy SMBH zbliżają się na około jeden parsek, zaczynają wchodzić w interakcję z chmurą ciemnej materii lub halo, w którym się znajdują. Wskazywały one na to, że grawitacja spiralnych SMBH wyrzuca cząstki ciemnej materii z systemu, a wynikający z tego niedobór ciemnej materii oznacza, że energia nie jest odprowadzana z pary i ich wzajemna orbita nie zmniejsza się.

Chociaż te modele odrzuciły wpływ ciemnej materii na orbity SMBH, nowy model Alonso-Álvareza i jego kolegów ujawnia, że cząstki ciemnej materii oddziałują ze sobą w sposób, który zapobiega ich rozpraszaniu. Gęstość halo ciemnej materii pozostaje wystarczająco wysoka, aby interakcje między cząstkami a SMBH nadal degradowały orbity SMBH, tworząc drogę do połączenia.

"Możliwość, że cząstki ciemnej materii oddziałują ze sobą, to założenie, które przyjęliśmy, dodatkowy składnik, którego nie mają wszystkie modele ciemnej materii," mówi Alonso-Álvarez. "Naszym argumentem jest to, że tylko modele z tym składnikiem mogą rozwiązać problem ostatniego parseka."

Detekcja fal grawitacyjnych
Tło brzęczenia spowodowane przez te kolosalne kosmiczne zderzenia składa się z fal grawitacyjnych o znacznie dłuższej długości fali niż te, które astrofizycy po raz pierwszy wykryli w 2015 roku za pomocą Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Te fale grawitacyjne powstały w wyniku połączenia dwóch czarnych dziur, z których każda była około 30 razy masywniejsza od Słońca.

Tło brzęczenia zostało wykryte w ostatnich latach przez naukowców pracujących nad Pulsar Timing Array. Ta sieć wykrywa fale grawitacyjne, mierząc drobne wariacje w sygnałach z pulsarów, szybko obracających się gwiazd neutronowych emitujących silne radiowe impulsy.

"Przewidywanie naszego propozycji jest takie, że spektrum fal grawitacyjnych wykrywanych przez pulsar timing array powinno być złagodzone na niskich częstotliwościach," mówi Cline. "Obecne dane już sugerują to zachowanie, a nowe dane mogą to potwierdzić w ciągu najbliższych kilku lat."

Oprócz dostarczania wglądu w łączenie się SMBH i tło fal grawitacyjnych, nowy wynik również dostarcza okna na naturę ciemnej materii.

"Nasza praca to nowy sposób na lepsze zrozumienie cząsteczkowej natury ciemnej materii," mówi Alonso-Álvarez. "Odkryliśmy, że ewolucja orbit czarnych dziur jest bardzo czuła na mikro-fizykę ciemnej materii, co oznacza, że możemy używać obserwacji połączeń supermasywnych czarnych dziur, aby lepiej zrozumieć te cząstki."

Na przykład, badacze odkryli, że interakcje między modelowanymi cząstkami ciemnej materii również wyjaśniają kształty galaktycznych halo ciemnej materii.

"Odkryliśmy, że problem ostatniego parseka można rozwiązać tylko wtedy, gdy cząstki ciemnej materii oddziałują ze sobą z prędkością, która może zmienić rozkład ciemnej materii na galaktycznych skalach," mówi Alonso-Álvarez. "To było nieoczekiwane, ponieważ fizyczne skale, na których te procesy zachodzą, różnią się o trzy lub więcej rzędów wielkości. To jest ekscytujące."

Co więcej, badanie sugeruje, że dalsze obserwacje fal grawitacyjnych mogą ujawnić dodatkowe szczegóły dotyczące natury ciemnej materii, potencjalnie umożliwiając naukowcom rozróżnienie między różnymi modelami ciemnej materii na podstawie zachowania supermasywnych czarnych dziur podczas łączenia. To odkrycie może otworzyć nowe kierunki badań w astrofizyce i kosmicznej mikro-fizyce, dostarczając głębszy wgląd w fundamentalne składniki wszechświata.

Źródło: University of Toronto