Сверхмассивные черные дыры или СМЧД — это черные дыры, масса которых в несколько миллионов или миллиардов раз превышает массу нашего Солнца. В Млечном Пути находится СМЧД с массой в несколько миллионов раз больше массы Солнца. Удивительно, но астрофизические наблюдения показывают, что сверхмассивные чёрные дыры уже существовали, когда Вселенная была очень молодой. Например, черные дыры с массой в миллиард солнечных масс были обнаружены, когда Вселенная была всего 6% от ее нынешнего возраста, 13,7 миллиарда лет. Как возникли эти сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной?
Команда, возглавляемая физиком-теоретиком из Калифорнийского университета в Риверсайде, предложила объяснение: массивная черная может образоваться в результате коллапса гало темной материи.
Ореол темной материи — это ореол невидимой материи, окружающий галактику или скопление галактик. Хотя темная материя никогда не была обнаружена в лабораториях, физики уверены, что эта загадочная материя, составляющая 85% материи Вселенной, существует. Если бы видимая материя галактики не была заключена в ореол темной материи, она разлетелась бы на части.
Проблему массивных черных дыр наглядно можно объяснить на примере роста человека. Предположим, что в нормальных условиях черные дыры, как и дети, рождаются маленькими и с течением времени увеличиваются в размерах (взрослеют). Теперь прадставьте, что вместо младенца рождается человек средних лет. Это вызывает много вопросов. Так и с массивными черными дырами, которые появились едва ли не одновременно с появлением материи как таковой.
Группа ученых под руководством Хай-Бо Ю, доцент физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде, поделились своей теорией, обясняющей подобное внезапное рождение на страницах журнала Astrophysical Journal Letters.
Частицы темной материи сначала группируются вместе под действием силы тяжести и образуют ореол темной материи. Во время эволюции ореола действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. В то время как гравитация притягивает частицы темной материи внутрь, давление выталкивает их наружу. Если частицы темной материи не взаимодействуют друг с другом, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному гало, они становятся более горячими, то есть движутся быстрее, давление эффективно увеличивается, и они отскакивают. Однако в случае самовзаимодействия темной материи может переносить тепло от этих "более горячих" частиц к ближайшим более холодным. Это затрудняет отскок частиц темной материи.
В итоге центральное гало, которое могло бы схлопнуться в черную дыру, имеет угловой момент, то есть вращается. Самовзаимодействие может вызвать вязкость или "трение", которое рассеивает угловой момент. В процессе схлопывания центральный ореол, имеющий фиксированную массу, сжимается по радиусу и замедляется во вращении из-за вязкости. По мере продолжения эволюции центральный гало в конечном итоге схлопывается до особого состояния: зародышевой черной дыры. Это семя может стать более массивным за счет аккреции окружающей барионной или видимой материи, такой как газ и звезды.
Само предположение не ново. Вся суть новой роботы в том, что исследователи определяют важность барионов — обычных атомных и молекулярных частиц — для реализации этой концепции. Барионы и их свойства позволяют всему описанному механизму работать, по крайне мере в теории.