U 2023. godini, astrofizičari su objavili otkriće "zujanja" gravitacijskih valova koji prožimaju svemir. Smatrali su da ovaj pozadinski signal dolazi od milijuna spajanja parova supermasivnih crnih rupa (SMBH), od kojih je svaka milijardama puta masivnija od našeg Sunca.

Međutim, teorijske simulacije pokazale su da se, kako se ti golemi nebeski objekti približavaju, njihov pristup zaustavlja na udaljenosti od približno jednog parseka - što je oko tri svjetlosne godine - sprječavajući njihovo spajanje. Ovaj "problem posljednjeg parseka" nije samo u suprotnosti s teorijom da su spajanja SMBH-a izvor gravitacijskih valova, već i s teorijom da SMBH-ovi rastu spajanjem manje masivnih crnih rupa.

Novo istraživanje
Sada je tim, uključujući Gonzala Alonso-Álvareza, pokazao da parovi SMBH-ova mogu preći granicu od jednog parseka i spojiti se u jednu veću crnu rupu. Prema njihovim novim proračunima, SMBH-ovi se nastavljaju približavati zbog ranije zanemarenih interakcija s česticama unutar ogromnog oblaka tamne tvari koji ih okružuje.

"Pokazujemo da uključivanje ranije zanemarenog učinka tamne tvari može pomoći supermasivnim crnim rupama da prebrode ovaj posljednji parsek odvajanja i spoje se," kaže Alonso-Álvarez. "Naši proračuni objašnjavaju kako se to može dogoditi, u suprotnosti s ranijim mišljenjem."

Istraživanje je opisano u članku "Self-interacting dark matter solves the final parsec problem of supermassive black hole mergers" objavljenom ovaj mjesec u časopisu Physical Review Letters.

Među koautorima članka su Alonso-Álvarez, postdoktorski istraživač na Odsjeku za fiziku na Fakultetu umjetnosti i znanosti te Odsjeku za fiziku i Trottier Space Institutu na Sveučilištu McGill; profesor James Cline sa Sveučilišta McGill i CERN-ovog Odjela za teorijsku fiziku u Švicarskoj; te Caitlyn Dewar, studentica magisterija znanosti iz fizike sa Sveučilišta McGill.

SMBH-ovi i tamna tvar
Smatra se da SMBH-ovi leže u središtima većine galaksija i kada se dvije galaksije sudare, SMBH-ovi ulaze u orbitu jedan oko drugog. Dok kruže jedan oko drugog, gravitacijska sila obližnjih zvijezda povlači ih i usporava. Kao rezultat, SMBH-ovi se spiralno kreću prema spajanju.

Prethodni modeli spajanja pokazali su da, kada se SMBH-ovi približe na otprilike jedan parsek, počinju interakciju s oblakom tamne tvari ili haloom u kojem se nalaze. Ukazivali su na to da gravitacija spiralnih SMBH-ova izbacuje čestice tamne tvari iz sustava i rezultirajuća oskudica tamne tvari znači da se energija ne povlači iz para i njihova međusobna orbita više se ne smanjuje.

Iako su ti modeli odbacili utjecaj tamne tvari na orbite SMBH-a, novi model od Alonso-Álvareza i njegovih kolega otkriva da čestice tamne tvari međusobno djeluju na način da se ne raspršuju. Gustoća tamnog halo tvari ostaje dovoljno visoka da interakcije između čestica i SMBH-ova nastave degradirati orbite SMBH-a, stvarajući put do spajanja.

"Mogućnost da čestice tamne tvari međusobno djeluju je pretpostavka koju smo napravili, dodatni sastojak koji nemaju svi modeli tamne tvari," kaže Alonso-Álvarez. "Naš argument je da samo modeli s tim sastojkom mogu riješiti problem posljednjeg parseka."

Detekcija gravitacijskih valova
Pozadinsko zujanje uzrokovano ovim kolosalnim kozmičkim sudarima sastoji se od gravitacijskih valova mnogo duže valne duljine od onih koje su prvi put detektirali astrofizičari 2015. godine pomoću Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Ti gravitacijski valovi nastali su spajanjem dviju crnih rupa, svaka otprilike 30 puta veća od mase Sunca.

Pozadinsko zujanje otkriveno je posljednjih godina od strane znanstvenika koji rade na Pulsar Timing Array. Ova mreža otkriva gravitacijske valove mjerenjem sitnih varijacija u signalima iz pulsara, brzo rotirajućih neutronskih zvijezda koje emitiraju snažne radio pulse.

"Predikcija našeg prijedloga je da bi spektar gravitacijskih valova otkrivenih pulsar timing array trebao biti omekšan na niskim frekvencijama," kaže Cline. "Trenutni podaci već nagovještavaju ovo ponašanje, a novi podaci bi mogli to potvrditi u sljedećih nekoliko godina."

Osim što pruža uvid u spajanje SMBH-a i pozadinski signal gravitacijskih valova, novi rezultat također pruža prozor u prirodu tamne tvari.

"Naš rad je novi način za bolje razumijevanje čestične prirode tamne tvari," kaže Alonso-Álvarez. "Otkrili smo da je evolucija orbita crnih rupa vrlo osjetljiva na mikro-fiziku tamne tvari, što znači da možemo koristiti opažanja spajanja supermasivnih crnih rupa za bolje razumijevanje ovih čestica."

Na primjer, istraživači su otkrili da interakcije između čestica tamne tvari koje su modelirali također objašnjavaju oblike galaktičkih halo tamne tvari.

"Otkrili smo da se problem posljednjeg parseka može riješiti samo ako čestice tamne tvari međusobno djeluju brzinom koja može promijeniti raspodjelu tamne tvari na galaktičkim razmjerima," kaže Alonso-Álvarez. "To je bilo neočekivano jer su fizičke skale na kojima se procesi odvijaju tri ili više redova veličine različite. To je uzbudljivo."

Osim toga, istraživanje sugerira da bi daljnje promatranje gravitacijskih valova moglo otkriti dodatne detalje o prirodi tamne tvari, potencijalno omogućujući znanstvenicima da razlikuju između različitih modela tamne tvari na temelju ponašanja supermasivnih crnih rupa tijekom spajanja. Ovo otkriće može otvoriti nove pravce istraživanja u astrofizici i kozmičkoj mikro-fizici, pružajući dublji uvid u temeljne sastojke svemira.

Izvor: University of Toronto