Черные дыры представляют собой области пространства с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может их покинуть. Существуют два основных типа: черные дыры звездной массы, образующиеся при коллапсе массивных звезд и имеющие массу от нескольких до десятков масс Солнца, и сверхмассивные черные дыры (СМЧД), чья масса достигает от миллионов до миллиардов солнечных масс. Последние обычно располагаются в центрах галактик и растут за счет поглощения вещества (аккреции) и слияний.
Загадкой для астрофизиков остается формирование очень крупных СМЧД на ранних этапах существования Вселенной. Наблюдения объектов с высоким красным смещением, указывающим на их огромную удаленность и, следовательно, на раннюю эпоху формирования, выявили СМЧД массой более миллиарда солнечных масс. Их существование так рано бросает вызов существующим теориям формирования.
Одна из ключевых гипотез объясняет их появление через прямой коллапс облаков атомарного газа, который охлаждается, минуя стадию образования звезд. Этот процесс способен создавать массивные «затравочные» черные дыры. Оценки показывают, что масса таких «тяжелых» затравок составляет около 100 000 солнечных масс, и они впоследствии могут вырасти до наблюдаемых миллиардов масс Солнца.
Недавно группа исследователей под руководством Хао Цзяо из Корнелльского университета предложила новую теорию, опубликованную на сервере препринтов arXiv. Согласно этой гипотезе, ультралегкая темная материя, состоящая из частиц, называемых аксионами, могла способствовать прямому коллапсу газа, необходимому для формирования ранних СМЧД.
Центральным элементом механизма является поток ультрафиолетового (УФ) излучения. УФ-фотоны диссоциируют молекулы водорода в газовом облаке. Это предотвращает фрагментацию облака на более мелкие сгустки, из которых обычно формируются звезды, и позволяет ему сколлапсировать целиком в одну массивную затравочную черную дыру.
Теория предполагает, что темная материя состоит из ультралегких волноподобных частиц — аксионов. Эти гипотетические частицы взаимодействуют с электромагнетизмом через специфический топологический механизм, известный как член Черна — Саймонса.
Внутри гало темной материи осцилляции аксионного поля могут усиливать инфракрасные фотоны посредством параметрического резонанса — процесса передачи энергии от аксионов фотонам. Исследователи показывают, что этот процесс способен генерировать необходимое для диссоциации молекулярного водорода УФ-излучение.
Возможные механизмы генерации УФ включают достижение теплового равновесия, оптически толстые гало или мощный каскад фотонов, возникающий в результате резонансного процесса. Исследование приходит к выводу, что предложенный аксионный механизм способен производить достаточное количество УФ-фотонов для запуска прямого коллапса.
Это позволяет формироваться массивным затравочным черным дырам в самые ранние периоды истории Вселенной. Важно отметить, что этот путь формирования не требует наличия звездного света или процессов звездной эволюции, что решает проблему временных рамок.
Таким образом, данный механизм может объяснить присутствие СМЧД с массой в миллиарды солнечных масс уже на эпохе высокого красного смещения, когда Вселенная была значительно моложе.
Предложенная аксионная модель формирования СМЧД согласуется с несколькими устоявшимися космологическими теориями. Она не противоречит стандартной космологической модели, описывающей структуру и эволюцию Вселенной.
Более того, она совместима с теориями, включающими космические струны — гипотетические одномерные топологические дефекты в пространстве-времени. Элементы теории струн также поддерживают эту модель: петли космических струн могли выступать в качестве центров конденсации для гало темной материи на более ранних стадиях и делать их более концентрированными, тем самым повышая вероятность описанного процесса формирования СМЧД.
Изображение носит иллюстративный характер
Загадкой для астрофизиков остается формирование очень крупных СМЧД на ранних этапах существования Вселенной. Наблюдения объектов с высоким красным смещением, указывающим на их огромную удаленность и, следовательно, на раннюю эпоху формирования, выявили СМЧД массой более миллиарда солнечных масс. Их существование так рано бросает вызов существующим теориям формирования.
Одна из ключевых гипотез объясняет их появление через прямой коллапс облаков атомарного газа, который охлаждается, минуя стадию образования звезд. Этот процесс способен создавать массивные «затравочные» черные дыры. Оценки показывают, что масса таких «тяжелых» затравок составляет около 100 000 солнечных масс, и они впоследствии могут вырасти до наблюдаемых миллиардов масс Солнца.
Недавно группа исследователей под руководством Хао Цзяо из Корнелльского университета предложила новую теорию, опубликованную на сервере препринтов arXiv. Согласно этой гипотезе, ультралегкая темная материя, состоящая из частиц, называемых аксионами, могла способствовать прямому коллапсу газа, необходимому для формирования ранних СМЧД.
Центральным элементом механизма является поток ультрафиолетового (УФ) излучения. УФ-фотоны диссоциируют молекулы водорода в газовом облаке. Это предотвращает фрагментацию облака на более мелкие сгустки, из которых обычно формируются звезды, и позволяет ему сколлапсировать целиком в одну массивную затравочную черную дыру.
Теория предполагает, что темная материя состоит из ультралегких волноподобных частиц — аксионов. Эти гипотетические частицы взаимодействуют с электромагнетизмом через специфический топологический механизм, известный как член Черна — Саймонса.
Внутри гало темной материи осцилляции аксионного поля могут усиливать инфракрасные фотоны посредством параметрического резонанса — процесса передачи энергии от аксионов фотонам. Исследователи показывают, что этот процесс способен генерировать необходимое для диссоциации молекулярного водорода УФ-излучение.
Возможные механизмы генерации УФ включают достижение теплового равновесия, оптически толстые гало или мощный каскад фотонов, возникающий в результате резонансного процесса. Исследование приходит к выводу, что предложенный аксионный механизм способен производить достаточное количество УФ-фотонов для запуска прямого коллапса.
Это позволяет формироваться массивным затравочным черным дырам в самые ранние периоды истории Вселенной. Важно отметить, что этот путь формирования не требует наличия звездного света или процессов звездной эволюции, что решает проблему временных рамок.
Таким образом, данный механизм может объяснить присутствие СМЧД с массой в миллиарды солнечных масс уже на эпохе высокого красного смещения, когда Вселенная была значительно моложе.
Предложенная аксионная модель формирования СМЧД согласуется с несколькими устоявшимися космологическими теориями. Она не противоречит стандартной космологической модели, описывающей структуру и эволюцию Вселенной.
Более того, она совместима с теориями, включающими космические струны — гипотетические одномерные топологические дефекты в пространстве-времени. Элементы теории струн также поддерживают эту модель: петли космических струн могли выступать в качестве центров конденсации для гало темной материи на более ранних стадиях и делать их более концентрированными, тем самым повышая вероятность описанного процесса формирования СМЧД.
